УДК 631.95(075.8)ББК 20.1я73 К90

Р е ц е н з е н т ы: кафедра безопасности жизнедеятельности Белорусского государственного технологического университета (заведующий кафедрой доктор сельскохозяйственных наук, доцент В.Н. Босак); член-корреспондент Национальной академии наук Беларуси, заведующий лабораторией экологии растений Государственного научного учреждения «Институт эксперимен-тальной ботаники имени В.Ф. Купревича Национальной академии наук Бела-руси» профессор Б.И. Якушев

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части не может быть осуществлено без разрешения изда-тельства

Куликов, Я. К.К90 Агроэкология : учеб. пособие / Я. К. Куликов. – Минск : Выш. шк., 2012. – 319 с.

ISBN 978-985-06-2079-8.

Рассмотрены типы, структура и функции агроэкосистем, при-родно-ресурсный потенциал сельскохозяйственных территорий.

Освещена роль почвы и почвенной биоты, их экологические функ-ции при взаимодействии с природными и антропогенными системами.

Анализируется функциональная активность биологических и хи-мических свойств почв при формировании продуктивности и устой-чивости агроэкосистем.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по спе-циальности «Биоэкология».

УДК 631.95(075.8)ББК 20.1я73

ISBN 978-985-06-2079-8 © Куликов Я.К., 2012 © Издательство «Вышэйшая школа», 2012

3

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ

Обострение экологической ситуации во многих регионах мира в значительной мере связано с влиянием сельскохозяй-ственной деятельности на природную среду. Оценка изменений, происходящих в результате этого воздействия, должна лежать в основе разработки системы рационального ведения сельского хозяйства и природоохранных мер. Экологическая оценка со-стоит в определении фактических и возможных изменений со-стояния природной среды, влияющих как на развитие самого сельского хозяйства, так и на условия жизни населения.

В настоящее время существенно возрастают требования к грамотности специалистов в области охраны природы и ра-ционального использования природных ресурсов. Специалист любой сферы деятельности должен понимать смысл совре-менных проблем взаимодействия общества и природы, разби-раться в причинной обусловленности возможных негативных воздействий тех или иных производств на окружающую при-родную среду, уметь квалифицированно оценивать характер, направленность и последствия влияния конкретной хозяй-ственной деятельности на природу.

От экологической грамотности специалистов сельского хо-зяйства зависит защита окружающей среды от прямого загряз-нения и разрушения, оптимизация ландшафта сельскохозяй-ственных районов, производство экологически чистой продук-ции. Действенность и эффективность охраны природы в сель-ском хозяйстве зависит от экологического предвидения специалистов, их умения увязывать вопросы развития произ-водства с природоохранными задачами.

«Экологизация» сельскохозяйственного производства – объективно обусловленная необходимость целенаправленного перехода от сугубо технократической политики к грамотному соединению достижений научно-технического прогресса с принципами природосообразности при организации и осу-ществлении различных видов производственной деятельности в сфере агропромышленного комплекса (АПК).

При одностороннем техногенном подходе к интенсифика-ции сельскохозяйственного производства окружающая среда, как правило, загрязняется токсическими веществами, резко возрастают ветровая и водная эрозии почв, значительно умень-

4

шается видовое разнообразие полезной фауны и флоры, уве-личивается опасность массового поражения агроценоза болез-нями и вредителями, возникает реальная опасность для здо-ровья человека и деградации природной среды. Поскольку преимущество в сельском хозяйстве отдается более однотип-ным агроэкосистемам, снижается их способность к поддержа-нию экологического равновесия за счет механизмов саморегу-ляции. Вследствие этого возрастает не только экологическая и генетическая уязвимость посевов сельскохозяйственных куль-тур, но и необходимость применения во все больших масшта-бах средств химической защиты растений, что неизбежно уси-ливает процесс разрушения механизмов самовосстановления природных ландшафтов.

С учетом того, что площадь агроэкосистем в мире занимает уже свыше 10 % суши, односторонний техногенный подход к интенсификации растениеводства сопряжен с опасностью гло-бального нарушения экологического равновесия биосферы. Подобное заключение основано не только на данных агроэнер-гетического анализа, но и на реальном понимании того, что бу-дущее человеческой цивилизации и сохранение природной среды взаимосвязаны. Поэтому выживание человечества зави-сит не столько от экономических, сколько от экологических факторов. Не случайно тенденция перехода к экологически обоснованному сельскохозяйственному производству – все бо-лее гармоничному взаимоотношению природы и общества – доминирует сегодня практически во всех сферах производ-ственной деятельности человека.

Современные промышленные технологии возделывания сельскохозяйственных культур достигли пределов «насыще-ния» в нескольких аспектах:

в экологическом (загрязнение природной среды и подав- ление механизмов ее саморегуляции);

энергетическом (экспоненциальный рост затрат невос- полнимой энергии на каждую дополнительную единицу рас-тениеводческой продукции);

продукционном (дальнейшее увеличение доз азотных удобрений приводит к угнетению роста и развития культиви-руемых растений и почвенных организмов, снижает устойчи-вость агроценозов к абиотическим и биотическим стрессам).

В результате сложилась парадоксальная ситуация: отрасль, базирующаяся на использовании растениями неограниченных и экологически безопасных ресурсов солнечной энергии, ока-

залась не только энергорасточительной, требующей всевоз-растающих затрат невосполнимой энергии, но и наиболее опасной для природной среды.

Анализ вышеуказанных неблагоприятных тенденций в со-временном сельском хозяйстве со всей очевидностью показы-вает их масштабность и долговременный характер, а следова-тельно, и необходимость поиска приоритетов интенсифика-ции, обеспечивающих качественно новый этап его развития в интересах человеческого общества.

Рассмотренные проблемы призвана решать агроэкология (сельскохозяйственная экология). Агроэкология – это ком-плексная научная дисциплина, изучающая взаимодействие че-ловека с окружающей средой в процессе сельскохозяйствен-ного производства, влияние сельского хозяйства на природные комплексы и их компоненты, взаимодействие между компо-нентами агроэкосистем и специфику круговорота в них ве-ществ, перенос энергии, характер функционирования агроэко-систем в условиях техногенных нагрузок.

Задачи агроэкологии:1) обеспечение устойчивого производства качественной

биологической продукции;2) максимальное использование природного биоэнергети-

ческого потенциала агроэкосистем;3) сохранение и воспроизводство природно-ресурсной базы

аграрного сектора;4) исключение и минимизация негативного воздействия

сельскохозяйственного производства на окружающую природ-ную среду.

Автор

6

Ãëàâà 1

ÒÈÏÛ, ÑÒÐÓÊÒÓÐÀ È ÔÓÍÊÖÈÈ ÀÃÐÎÝÊÎÑÈÑÒÅÌ

1.1. Ïîíÿòèå «àãðîýêîñèñòåìû»

Сельское хозяйство существенно трансформирует природ-ные комплексы. В результате сформировались разнообразные антропогенные сельскохозяйственные образования (пашни, садовые насаждения, луга, пастбища и т.д.), занимающие око-ло трети суши, в том числе почти 1,5 млрд га пашни. Террито-рии, подлежащие ежегодной перепашке, требующие внесения удобрений, регулярного формирования искусственных (управ-ляемых) фитоценозов, относятся к сельскохозяйственным об-разованиям полевого типа. Сады, ягодники, виноградники, плантации чая и кофейного дерева – садовые образования; они представляют собой многолетние фитоценозы. Наибольшую территорию в качестве базы для получения сельскохозяйствен-ной продукции занимают луга и пастбища, простирающиеся от тропических саванн до субарктической зоны на площади более 3 млрд га. В этих угодьях процесс формирования пер-вичной биологической продукции идет естественным путем, и используется она для получения вторичной биологической продукции В сфере сельского хозяйства первичным структур-ным звеном, где, собственно, и происходит взаимодействие человека с природой, являются функциональные единицы – aгроэкосистемы (или агробиогеоценозы). Надо, однако, отме-тить, что данное понятие воспринимается неоднозначно. К примеру, по мнению Ю. Одума, агроэкосистемы – это одо-машненные экосистемы. которые во многих отношениях зани-мают промежуточное положение между природными экоси-стемами (луга, леса) и искусственными (города). Другой аме-риканский агроэколог Р. Митчелл считает, что подобно тому как морские свинки не являются обитателями моря и предста-вителями отряда парнокопытных, так и агроэкосистемы – не настоящие экосистемы, но и не самодовлеющие сельскохозяй-ственные единицы. Во всех агроэкосистемах экономические соображения влияют на структуру посевов и набор культур.

Некоторые исследователи указывают на то, что роль чело-века, под управлением которого находится агроэкосистема, на-столько значительна, что приходится говорить об артеприрод-

7

ной основе агроэкосистем. Действительно, агроэкосистемы сходны с урбанизированными и промышленными системами своей зависимостью от внешних факторов, т.е. от окружающей среды на входе и выходе системы. Однако в отличие от них агроэкосистемы по преимуществу автотрофны.

В свете современных представлений агроэкосистемы (агро-биогеоценозы) – вторичные, измененные человеком биогеоце-нозы, ставшие значительными элементарными единицами биосферы. Их основу составляют искусственно созданные, как правило, обедненные видами живых организмов, биотиче-ские сообщества. Эти сообщества формируют и регулируют люди для получения сельскохозяйственной продукции. Агро-экосистемы отличаются высокой биологической продукти в-ностью и доминированием одного или нескольких избранных видов (сортов, пород) растений или животных. Выращиваемые культуры и разводимые животные подвергаются искусствен-ному, а не естественному отбору. Как экологические системы агроэкосистемы неустойчивы: у них слабо выражена способ-ность к саморегулированию, без поддержки человеком они быстро распадаются или дичают и трансформируются в есте-ственные биогеоценозы (например, мелиорированные земли – в болота, насаждения лесных культур – в лес).

Агроэкосистемы с преобладанием зерновых культур суще-ствуют не более 1 года, многолетних трав – 3–4 года, плодовых культур – 20–30 лет, а затем они распадаются и отмирают.

Полезащитные лесные полосы, являющиеся элементами агроэкосистем, в степной зоне существуют не менее 30 лет. Однако без поддержки человеком (рубки, ухода, дополнения) они постепенно дичают, превращаясь в естественные экоси-стемы, или погибают.

Преобладающая разновидность агроэкосистем – искус-ственные фитоценозы: окультуренные (планомерно эксплуа-тируемые луга и пастбища); полукультурные (непостоянно ре-гулируемые искусственные насаждения – сеяные, многолетние луга); культурные (постоянно регулируемые многолетние на-саждения, полевые и огородные культуры); интенсивно куль-турные (парниковые и оранжерейные культуры, гидропоника, аэропоника и другие, требующие создания и поддержания осо-бых почвенных, водных и воздушных условий).

Управление агроэкосистемой осуществляется извне и под-чинено внешним целям.

8

1.2. Òèïû è ñòðóêòóðà àãðîýêîñèñòåì

В отличие от индустриальных или урбанизированных эко-систем первоначальный процесс формирования агроэкосисте-мы из естественной экосистемы прост. Условно говоря, доста-точно разрыхлить поверхность почвы и заложить необходи-мые для будущего урожая семена, предварительно уничтожив в определенной степени естественную растительность. Но и при таком весьма примитивном преобразовании естественной экосистемы ощутимо меняется круговорот веществ. Так, по-сле распашки территории активизируются процессы массооб-мена, проявляющиеся в интенсификации круговорота биоген-ных элементов.

Если рассматривать агроэкосистему условно как соединение естественной экологической системы и антропогенной энергии, то следует отметить, что удельные затраты энергии в доинду-стриальном сельском хозяйстве были сравнимы с энергопотока-ми в естественных экосистемах. В интенсивном сельском хо-зяйстве энергопотребление намного выше, что в конечном итоге уравнивает его по степени влияния на окружающую природную среду с иными антропогенными воздействиями. Как отмеча-лось, природные экосистемы и агроэкосистемы сходны по авто-трофности. Но при этом природная экосистема представляет со-бой область с замкнутым циклом и элементов питания, и пер-вичной продукции, т.е. потоки вещества реализуются преиму-щественно внутри системы, а вынос их почти отсутствует. Агроэкосистемы же создаются для преимущественного выноса продукции из системы, причем иногда за тысячи километров от первоначального источника формирования данной продукции.

Биотическое сообщество природной экосистемы разно-образнее, чем в агроэкосистеме, и полнее использует доступное ей пространство ниши. Характеристики отдельных индиви-дуумов (генетика, возраст, состояние) внутри определенного вида имеют тенденцию к изменению в природных экосисте-мах, но относительно постоянны в агроэкосистемах. Природ-ные экосистемы более непрерывные в пространстве и во вре-мени; основная часть полученной в них продукции использу-ется для различных целей в данных экосистемах. Экспорт продуктов продовольствия из агроэкосистем лимитирует ис-пользование полученной продукции внутри этих систем и де-лает их за висимыми от затрат материалов и труда человека.

9

С одной стороны, агроэкосистемы – естественно-мате-риальный источник производства, а с другой – объект и ре-зультат целенаправленной деятельности человека. Каково же соотношение этих двух сторон и как оно меняется под влияни-ем интенсификации сельскохозяйственного производства?

Как предмет изучения и управления агроэкосистема пред-ставляет собой вполне определенную материальную систему со сложной совокупностью активных экологических взаимосвя-зей, которые реализуются в результатах производственной дея-тельности и условиях воспроизводства природного потенциала.

Агроэкосистемы, как и естественные экосистемы, состоят из множества взаимосвязанных биологических, физических и химических компонентов. Любая группа компонентов, между которыми установились функциональные связи, образует си-стему (система характеризуется взаимообусловленностью компонентов, а не их суммой, набором). Правомерно полагать, что агроэкосистемы являются особой формой материального мира с определенной совокупностью (как правило, заданной) экологических, экономических и социальных явлений.

Отсутствие общепринятой классификации агроэкосистем восполняется в известной мере типизацией структур земледе-лия, применяемой ФАО. Согласно этой типизации, выделено пять видов землепользования, по каждому из которых класси-фицированы агроэкосистемы.

1. Земледельческое, или полевое, – богарные, орошаемые агроэкосистемы (ротации зерновых, бобовых, кормовых, овощ-ных, бахчевых, технических и лекарственных культур).

2. Плантационно-садовое – плантационные агроэкосисте-мы (чайный куст, дерево какао, кофейное дерево, сахарный тростник), садовые агроэкосистемы (плодовые сады, ягодни-ки, виноградники).

3. Пастбищное – пастбищные агроэкосистемы (отгонные пастбища: тундровые, пустынные, горные; лесные пастбища; улучшенные пастбища: сенокосы, окультуренные луга).

4. Смешанное – смешанные агроэкосистемы, характеризу-ющиеся равнозначным соотношением и сочетанием несколь-ких видов землепользования, а также процессов получения как первичной, так и вторичной биологической продукции.

5. Землепользование в целях производства вторичной биоло-гической продукции – агропромышленные экосистемы (террито-рии интенсивного «индустриализированного» производства мо-лока, мяса, яиц и другой продукции на основе преобладающих процессов снабжения системы веществом и энергией извне).

10

В процессе формирования, развития и эксплуатации агро-системных образований принципиально важно учитывать естественное плодородие почв и условия его воспроизводства. Можно выделить три базовых типа агроэкосистем: природо-емкий, природоохранный и природоулучшающий.

Природоемкие агроэкосистемы характеризуются неполным воспроизводством естественного плодородия, что приводит к падению его уровня.

Для природоохранного типа агроэкосистем характерны простое воспроизводство естественного плодородия и, как следствие, сохранение его уровня.

Природоулучшающий тип направлен на расширенное вос-производство и повышение уровня естественного плодородия.

В последнее время доминирует природоемкий тип. Про-порционально типу воспроизводства почвенного плодородия меняется эффективность привносимой в агроэкосистемы ан-тропогенной энергии.

Почва – это базис для создания любой агроэкосистемы, своеобразное средоточие процессов видоизменения веществ и трансформации потоков энергии, главное звено управления агроэкосистемами.

Физико-химические процессы, происходящие в агроэкоси-стемах, как известно, существенно отличаются от таковых в естественных экосистемах вследствие привнесения элементов антропогенного регулирования. Принципиальное отличие даже упрощенных агроэкосистем от естественных заключает-ся в преимущественном выносе с урожаем питательных ве-ществ, аккумулируемых в выращенной продукции. Это явный отличительный признак агроэкосистем, но он не единствен-ный. Почвенное плодородие, определяемое в основном запаса-ми гумуса, является не только главной экономической и эколо-гической характеристикой агроэкосистемы. Уменьшение со-держания гумуса ухудшает условия развития полезной микро-флоры, в том числе и «почвоочистительной», приводит к утрате запасов внутрипочвенной энергии, элементов мине-рального питания, к усилению процессов смыва и вымывания, т.е. обусловливает деградацию базиса.

Некоторые процессы в агроэкосистемах происходят не так, как в природных системах. Например, скорость инфильтрации воды в природных экосистемах выше, что существенно сни-жает и поверхностный сток, и вероятность развития эрозии

11

почвы. В естественных условиях эрозию сдерживает также растительный покров, сохраняющийся в течение всего года.

Потери влаги в природной экосистеме обычно выше. Вследствие больших потерь влаги по почвенному профилю перемещается меньший объем воды, что снижает вымывание и поступление в грунтовые воды питательных веществ.

В природных экосистемах в больших количествах содержат-ся органические коллоиды, которые обеспечивают ионообмен-ную и водоудерживающую способность почвы. Потери почвой коллоидов в агроэкосистемах вызваны окислением и разруше-нием органического вещества, что происходит в результате дли-тельной обработки почвы, а также при орошении. Параллельно окислению органического вещества идет и интенсивная мине-рализация, приводящая к значительным потерям его подвиж-ной части. В агроэкосистемах процессы окисления и минера-лизации усиливаются вследствие снижения густоты раститель-ного покрова и повышения температуры почвы.

Цикл круговорота биогенных элементов в природных эко-системах более закрытый, чем в агроэкосистемах, где значи-тельная их часть отчуждается с урожаем. Газообразные потери азота из почвы в агроэкосистемах значительно выше, чем в природных экосистемах, вследствие бóльшей активности де-нитрифицирующих микроорганизмов.

В природных экосистемах способность растений погло-щать элементы питания выше, чем скорость образования до-ступных их форм в почве. Растения природных экосистем име-ют более разнообразную корневую систему, что позволяет полнее использовать почвенный профиль. Агротехника, при которой уменьшается разнообразие возделываемых культур, не только снижает эффективность использования влаги, но и увеличивает угрозу потери питательных веществ при вымыва-нии их за пределы корнеобитаемого слоя почвы.

1.3. Ôóíêöèè àãðîýêîñèñòåì

Естественные экосистемы выполняют три основные жиз-необеспечивающие функции (место, средство, условия жиз-ни). Агроэкосистемы в отличие от них формируются для по-лучения максимально возможного количества продукции, слу-жащей первоисточником пищевых, кормовых, лекарственных и сырьевых ресурсов, т.е. функции агроэкосистем в основном ограничиваются предоставлением средств жизни. В этом глав-

12

ная причина преобладания ресурсоемкого и природоразруша-ющего типов агросистем. Перспектива же за природосообраз-ными агроэкосистемами, которые можно получить лишь при выполнении агроэкосистемами в полной мере функции вос-производства и сохранения условий жизни. Формирование аг-роэкосистем (а в большей мере, реконструкция их, поскольку доля вновь образуемых агроэкосистем очень невелика по срав-нению с уже исторически сложившимися) должно отвечать главному требованию – им необходимо быть природоохран-ными. Последовательная реализация экологической функции, поддерживающей благоприятные условия среды для челове-ка, органической и неорганической частей агроэкосистемы и сопредельных территорий, является столь же важной, как и производство средств жизни. Пока что традиционно сохраня-ется разделение единого процесса производства биопродук-ции на два соподчиненных блока: непосредственно процесс производства и процессы уборки, транспортировки, перера-ботки, хранения и потребления продукции. На каждой стадии возможно возникновение негативных экологических послед-ствий, что требует специфических охранных мероприятий. Принято считать эти меры дополнительными, носящими за-тратный характер. Между тем следует соблюдать принцип равнозначной приоритетности как основу системного управ-ления агроэкосистемами.

Современные агроэкосистемы включают сложные взаимо-связанные материально, энергетически, экономически и эко-логически процессы производства биологической продукции. При этом обеспечиваются воспроизводство естественного ре-сурсного потенциала и эффективное использование антропо-генных субсидий энергии.

Научно обоснованная организация агроэкосистем преду-сматривает создание рациональной природной и природно-хозяйственной инфраструктуры (дороги, каналы, лесные на-саждения, сельскохозяйственные угодья и др.), адекватной особенностям местного ландшафта и хозяйственного пользо-вания территорией в целом.

Организация агроэкосистем должна быть приближена к контурам природных комплексов, что достигается оптимиза-цией агроландшафта. Это, однако, только видимая часть эко-логически обоснованной агроэкосистемы. Значительно слож-нее внутренние процессы массо- и энергообмена, поддер-живающие ландшафтно-экологическое равновесие.

13

1.4. Ïóòè ïîâûøåíèÿ ïðîäóêòèâíîñòè àãðîýêîñèñòåì

Наивысшая продуктивность агроэкосистемы (как и экоси-стемы), т.е. максимальное накопление биомассы в виде раз-личных вегетативных и репродуктивных органов возделывае-мых видов растений, определяется адаптированностью опти-ческого аппарата к солнечной энергии. Один из признаков та-кой адаптированности – максимальное аккумулирование энергии, т.е. биомассы, растением за единицу времени. При условии нелимитированности других экологических факто-ров, обеспечивающих процесс фотосинтеза, за счет поглощен-ной энергии света образуется 95–97 % органических соедине-ний, представленных растительной биомассой. При этом, ра-зумеется, часть энергии расходуется на дыхание.

Для максимального использования поступающей энергии у экосистем эволюционно сформировался ряд адаптивных свойств (например, разнообразие видового состава). По ана-логии должны создаваться и агроэкосистемы, поскольку по-следние имеют ту же первооснову производства биологиче-ской продукции.

Создание высокопродуктивных сочетаний сельскохозяй-ственных культур – один из реальных и действенных путей повышения продуктивности и эффективности затрат в агро-экосистемах.

Смешанные и совместные посевы можно использовать в агроэкосистемах при высоком уровне механизации работ. Сельскохозяйственные культуры высевают чередующимися полосами или рядами, а также подсевают в междурядья зерно-вых. В районах с умеренным климатом используют различные комбинации культур: горох и сою с овсом и кукурузой, сою и фасоль с кукурузой, сою с пшеницей, горох с подсолнечником, рапс с кукурузой. При оптимальном подборе злаковых и бобо-вых компонентов существенно повышаются продуктивность посевов, выход белка, причем не только за счет зерна бобовых, но и за счет повышения содержания белка в зерне злаковых, которые используют азот, фиксируемый бобовой культурой.

Энергетические особенности различных природных зон планеты позволяют выделить пять основных (глобальных) ти-пов агроэкосистем.

Тропический тип характеризуется высокой обеспечен-ностью теплом, способствующим непрерывной вегетации. Земледелие базируется главным образом на основе функцио-

14

нирования агроэкосистем с преобладанием многолетних куль-тур (ананасы, бананы, какао, кофе, многолетний хлопчатник и др.). Однолетние культуры дают несколько урожаев в год.

К особенностям данного типа агросистем относится по-требность в непрерывном вложении антропогенной энергии в связи с постоянным в течение года проведением полевых ра-бот. Агроэкосистемам такого типа присуща фактически равно-значность естественного и антропогенного процессов массо- и энергообмена.

В агроэкосистемах субтропического типа интенсивность ан-тропогенных потоков веществ и энергии меньше; проявляются дискретность и дисперсность этих потоков. В основном харак-терно наличие двух вегетационных периодов – летнего и зимне-го. Произрастают многолетние растения, которые имеют хорошо выраженный период покоя (виноград, грецкий орех, чай и др.). Однолетние растения летнего периода представлены кукурузой, рисом, соей, хлопчатником, зеленными культурами и т.д.

Агроэкосистемы умеренного типа характеризуются лишь одним (летним) вегетационным периодом и продолжительным («нерабочим») периодом зимнего покоя. Очень высокая по-требность во вложении антропогенной энергии приходится на весну, лето и первую половину осени.

Земледелие в агроэкосистемах полярного типа носит оча-говый характер. Агроэкосистемы существенно ограничены территориально и по видам возделываемых культур (листовые овощи, ячмень, некоторые корнеплоды, ранний картофель).

Агроэкосистемы арктического типа в открытом грунте от-сутствуют. Возделывание культурных растений исключено из-за очень низких температур теплого периода: в летние месяцы бывают длительные похолодания с отрицательными темпера-турами. Возможно использование закрытого грунта.

На территории Беларуси главенствующими являются агро-экосистемы умеренного типа. При организации агроэкосистем важно обеспечить более полноценное использование лучистой энергии. Резервы здесь невелики. Для большинства типов рас-тительного покрова КПД поглощенной ФАР составляет в среднем 1–2 %. Пустынные кустарники имеют КПД – 0,03 %, альпийские травянистые растения – 0,15–0,75 %. Наи-более высокий КПД у лесных экосистем – 2–4 %.

В агроэкосистемах, занятых светолюбивыми и высокоуро-жайными культурами, КПД ФАР может достигать 5–7 %, a при орошении возрастает до 10 %. В целом же КПД ФАР хо-рошего посева за вегетационный период не превышает 1–4 %.

15

Наращивание продуктивности агроэкосистем зависит от прогресса в селекции, направленной на выведение высокоуро-жайных и устойчивых сортов.

Вместе с тем при организации агроэкосистем есть и другой путь повышения продуктивности – создание многоярусной агроэкосистемы (подобной природной в виде лесного много-ярусного ценоза), в которой по вертикальному профилю свето-вая ниша занята соответствующей все более низкорослой и тенелюбивой культурой. Переход от одновидовых агроэкоси-стем к поликультурным – одна из перспективных задач опти-мизации природопользования.

Энергия, разумеется, необходима не только для обеспече-ния процесса фотосинтеза. Любой процесс, совершающийся в неорганическом и органическом мире, нуждается в энергии и реализуется только при наличии ее в требуемом количестве и доступной форме.

1.5. Îñîáåííîñòè êðóãîâîðîòà âåùåñòâ â àãðîýêîñèñòåìàõ

Массо- и энергообмен на планете включает разнообразные процессы вещественных и энергетических превращений и пе-ремещений в литосфере, гидросфере, атмосфере. С появлени-ем жизни эти круговороты и потоки интенсифицировались, претерпев существенные качественные изменения в результа-те развития биогенной миграции.

В пределах территорий, находящихся под влиянием форми-рующихся и функционирующих агроэкосистем, складываются свои взаимосвязи. Многоплановая производственная деятель-ность человека вносит заметные коррективы в процессы мас-со- и энергообмена, затрагивая и изменяя их территориальные и временные характеристики. Агроэкосистемы, разумеется, причастны к данным изменениям (и подчас в немалой степе-ни), способствуя, в частности, разомкнутости круговоротов веществ и др. Так, вследствие разомкнутости круговорота азо-та под влиянием химизации агроэкосистем планеты в воде и почвах накапливается и не возвращается в атмосферу ориен-тировочно около 10 млн т данного элемента. Избыток биоген-ных веществ – причина загрязнения природных вод, развития нежелательных процессов в почвах и т.д. Нарушение есте-ственных круговоротов веществ – не единственное послед-ствие вмешательства человека в природные циклы. Сельское хозяйство изменяет в круговороте веществ и потоков энергии

16

интенсивность и траектории их перемещения. Особенно опас-но вовлечение в круговорот искусственно синтезированных веществ, в том числе и ксенобиотиков.

В пределах территорий, находящихся под влиянием форми-рующихся и функционирующих агроэкосистем, складываются свои особенности развития и перемещения миграционных по-токов веществ, что по-разному сказывается на состоянии при-родных комплексов и их компонентов и требует нестандарт-ных решений при рассмотрении конкретных природоохран-ных ситуаций.

В природных системах внутренний круговорот питатель-ных веществ по объему значительно превышает их поступле-ние из атмосферы и потери на вымывание из почвы. В управ-ляемой сельскохозяйственной экосистеме распределение пи-тательных веществ меняется, что проявляется в снижении их переноса от первичных продуцентов к потребителям (консу-ментам), а также в последующем закономерном изменении ре-жима поступления этих веществ к редуцентам. Такого рода обстоятельства вызваны применением в агроэкосистемах пе-стицидов, осуществлением агротехнических мероприятий (ре-гулирующего фактора). Характерно, что после заделки расти-тельных остатков при последующей обработке почвы актив-ность редуцентов повышается. Важно, что в результате управ-ления агроэкосистемой наблюдается изменение обычного («консервативного») круговорота питательных веществ и уве-личение скорости их перехода в абиотическое состояние. В агроэкосистемах изменяются или подавляются присущие природным системам свойства саморегулирования, что ведет к снижению биотической устойчивости.

Все экосистемы функционируют на основе прохождения биогеохимических циклов – эволюционно сложившихся уни-версальных природных процессов. В соответствии с принци-пами гомеостаза заметные изменения любого из формирую-щих экосистему функциональных компонентов могут послу-жить первопричиной существенных изменений других компо-нентов; при этом нарушается прежнее внутреннее строение системы (состав растительных и животных сообществ, доми-нирование органического вещества и т.д.). Стабильность эко-системы сохраняется и в том случае, если она переходит на новый уровень гомеостаза. Если же исключается или стано-вится неэффективным любой из функциональных компонен-тов, экосистема может разрушиться под действием абиотиче-ских факторов, например под действием эрозии.

17

Таблица 1.1. Свойства природных и культивируемых экосистем, непосредственно влияющиена их стабильность и способность накапливать питательные элементы

СвойстваЭкосистемы

СвойстваЭкосистемы

природные культиви-руемые природные культиви-

руемые

Абиотические Биотические

Скорость инфильтрации Высокая Низкая Внутренний круговорот веществ, осущест-вляемый растениями

Выше Ниже

Объем стока Низкий Высокий

Эрозия Низкая Высокая Синхронизация активности растений и ми-кроорганизмов

Высокая Низкая

Растительный покров Значительный Малый Разнообразие биологической активности по времени

Высокое Низкое

Опад и другие остатки Много Мало

Камни Много Мало

Потери почвенной влаги на испарение

Высокие Низкие Соотношение активности растений и микро-организмов

1 Менее 1

Почвенные коллоиды Много Мало Разнообразие растительных популяций Высокое Низкое

Потери на вымывание Низкие Высокие Генетическое разнообразие Высокое Низкое

Температура почвы Ниже Выше Потенциал воспроизводства Высокий Низкий

Достижение стабильного функционирования агроэкоси-стем, предотвращение возникновения и развития деградаци-онных процессов требуют постоянной целенаправленной ра-боты: научного осмысления особенностей биологического продуцирования, формирования целесообразных направлений практической деятельности. Принципиально важна сравни-тельная оценка свойств природных и культивируемых систем (табл. 1.1). В перспективе должно быть обеспечено максималь-ное приближение свойств искусственных образований к свой-ствам природных – к этому, по сути, и должны сводиться агро-экологические решения, основывающиеся на учете особенно-стей природных экосистем.

19

Ãëàâà 2

ÏÎ×ÂÅÍÍÎ-ÁÈÎÒÈ×ÅÑÊÈÉ ÊÎÌÏËÅÊÑÊÀÊ ÎÑÍÎÂÀ ÀÃÐÎÝÊÎÑÈÑÒÅÌÛ

2.1. Çíà÷åíèå ïî÷âåííîé áèîòû è åå ñîñòàâ

Почва – сложнейшая система, одним из основных функцио-нальных компонентов которой являются населяющие ее жи-вые организмы. От деятельности этих организмов зависят ха-рактер и интенсивность биологического круговорота веществ, масштабность и интенсивность фиксации основного биоген-ного элемента – атмосферного азота, способность почвы к са-моочищению и пр.

В последнее время значение почвенной биоты существенно возросло не только в связи с незаменимой ролью ее в форми-ровании почвенного плодородия. При техногенном загрязне-нии компонентов биосферы, в том числе и почв, почвенная биота выполняет еще одну важную функцию – детоксикации различных соединений, присутствующих в почве и влияющих на состояние окружающей среды и качество сельскохозяй-ственной продукции.

Почвенный покров представляет собой самостоятельную земную оболочку – педосферу. Почва – продукт совместного воздействия климата, растительности, животных и микроорга-низмов на поверхностные слои горных пород. В этой сложней-шей системе непрерывно происходят синтез и разрушение ор-ганического вещества, круговорот элементов зольного и азот-ного питания растений, детоксикация различных загрязняю-щих веществ, поступающих в почву, и т.д.

Данные процессы осуществляются благодаря уникальному строению почвы, которое представляет собой систему взаи-мосвязанных твердой, жидкой, газообразной и живой состав-ляющих. Например, воздушный режим почвы тесно связан с ее влажностью. Оптимальное сочетание этих факторов спо-собствует лучшему развитию высших растений. Последние, продуцируя большую биомассу, поставляют больше пищевого и энергетического материала для населяющих почву живых организмов, что улучшает их жизнедеятельность и способ-ствует обогащению почвы питательными веществами и био-логически активными соединениями.

20

Твердая фаза почвы, в которой в основном сосредоточены источники питательных и энергетических веществ – гумус, органо-минеральные коллоиды, катионы Са2+, Mg2+ нa поверх-ности почвенных частиц, взаимосвязана с почвенно-био-тическим комплексом (ПБК).

Почвенные частицы, особенно коллоидная и илистая фрак-ции, благодаря обширной суммарной поверхности обладают поглотительной способностью. Эта способность имеет боль-шое экологическое значение, так как позволяет почве сорбиро-вать различные соединения, в том числе токсичные, и тем са-мым препятствовать поступлению токсикантов в пищевые цепи. В процессе превращения веществ и формирования по-токов энергии огромную роль играют населяющие почву жи-вые организмы, составляющие ПБК, без которого нет и не мо-жет быть почвы. ПБК представлен весомой (по массе) и раз-нообразной группой организмов.

В 1 г почвы содержится 3–90 млн бактерий, 0,1–35 млн ак-тиномицетов, 8–10 000 тыс. микроскопических грибов, 100 тыс. водорослей, 1,5–6 млн простейших.

Принято считать, что верхний слой почвы в целом состоит из минеральной субстанции (93 %) и органического вещества (7 %). В свою очередь, органическое вещество включает мерт-вое органическое вещество (85 %), корни растений (10 %) и эдафон (5 %). В структуру эдафона входят бактерии и актино-мицеты (40 %), грибы и водоросли (40 %), дождевые черви (12 %), прочая микрофауна (5 %) и мезофауна (3 %).

Масса бактерий составляет примерно 10 т/га; такую же массу имеют микроскопические грибы; масса простейших достигает порядка 370 кг/га и т.д.

На 1 га пашни приходится 250 тыс. дождевых червей (50–140 кг/га), на 1 га пастбища – 500–1575 тыс. (1150–1680 кг/га), на 1 га сенокосных угодий – 2–5,6 млн (более 2 т/га).

Среди животных организмов биосферы обитатели почвы характеризуются наибольшей биомассой. Исходя из предполо-жения, что в среднем биомасса почвенной фауны составляет 300 кг/га, на площади 80 млн км2 почвенного покрова Земли (без пустынь) суммарная биомасса почвенных животных всего земного шара – 2,5 млрд т. Деятельность почвенной фауны, или педофауны, состоит в разложении опада на комплексные органические производные (первоначальная функция дожде-вых червей); данные соединения затем переходят к бактериям,

21

актиномицетам, почвенным грибам, высвобождающим из ор-ганических остатков исходные минеральные компоненты, ко-торые опять ассимилируются продуцентами.

Все эти организмы находятся в постоянном взаимодей-ствии; они очень динамичны в пространстве и во времени; не-которые из них обладают необычайно мощным ферментатив-ным аппаратом и способностью выделять в окружающую сре-ду различные токсины.

От деятельности почвенной биоты зависит плодородие по-чвы, ее «здоровье», качество сельскохозяйственной продук-ции, состояние окружающей среды. Знание особенностей функционирования ПБК в различных экологических услови-ях принципиально важно для создания продуктивных и устой-чивых агроэкосистем, производства экологически безопасной сельскохозяйственной продукции и минимизации загрязнения биосферы.

2.2. Ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíàÿ îðãàíèçàöèÿïî÷âåííî-áèîòè÷åñêîãî êîìïëåêñà

â ðàçëè÷íûõ ýêîëîãè÷åñêèõ óñëîâèÿõ

Почва – часть биосферы, где действуют различные эколо-гические факторы; поэтому в природе существует множество почвенных типов и их разновидностей с различным проявле-нием биологических процессов. Например, южные почвы, сформированные в условиях оптимального сочетания эколо-гических факторов (достаточное количество тепла, влаги, пи-тания), отличаются более высокой биологической актив-ностью. Северные почвы в условиях лимитирующего темпера-турного фактора, промывного типа водного режима, особен-ностей почвообразующих пород и т.д. характеризуются низкой биологической активностью и своеобразным ПБК. Другими словами, разные экосистемы функционируют при участии раз-личных почвенных организмов, что обусловливает уровень почвенного плодородия и устойчивость экосистемы к неблаго-приятным факторам среды.

Так, черноземные почвы характеризуются высокой урожай-ностью и высокой устойчивостью по отношению к токсикан-там. Почвы северного ряда – подзолистые и дерново-под-золистые – обладают менее выраженным плодородием, а так-же низкой устойчивостью к антропогенному загрязнению.

22 Таблица 2.1. Видовой состав бацилл в почвах разных типов, % (горизонт А1 или Апax)

Бациллы Подзоли-стая (лес)

Дерново-подзоли-стая (сад)

Серая лесная

(пашня)

Чернозем (пашня) Каштано-вая

(целина)

Солонец (целина)

Солончак (целина)оподзо-

ленныйвыщело-ченный типичный

Agglomeratus 16,0 9,3 2,2 0,8 – 0,6 0,3 3,2 2,1Mycoides 28,6 5,3 7,3 0,3 0,2 – – – –Idosus 7,4 29,4 25,0 25,6 22,0 24,7 19,2 16,8 18,6Megatherium 3,1 32,5 41,0 41,0 48,5 41,0 33,3 13,6 10,0Mesentericus ruber 1,1 4,5 5,3 6,8 7,8 10,8 – – –Mesentericus trevisan – 1,5 3,5 10,6 7,5 10,2 22,3 22,4 10,9Mescntericus niger – – – – – – 8,0 12,3 25,2Mesentericus panis – 1,2 0,4 0,3 0,9 0,9 – 1,4 –Subtilis – 0,2 1,7 2,0 0,8 0,6 2,1 1,5 1,1Solaniperda – – 0,2 0,5 0,1 0,1 4,2 14,2 10,0Cereus 19,8 6,8 4,6 6,5 2,7 2,4 1,2 3,3 0,5Virgulus 9,1 1,2 4,0 1,6 1,2 1,1 – – –Asterosporus 10,9 3,1 0,1 1,3 1,0 0,8 5,4 1,0 3,5Cvanogenes 0,6 – 0,1 – – – – – –Adhaerens 1,0 0,2 – – – – – 2,5 2,3Brevis 2,4 1,6 1,4 1,9 5,1 3,4 3,4 1,7 4,3Tumescens – 0,2 1,4 0,7 0,8 3,3 – 0,4 2,9Polymyxa – 2,6 1,8 – – 0,1 0,1 – 3,6Gasifi cans – 0,4 – – – – – 5,7 5,0Migrans – – – – 1,0 – – – –Antracoides – – – – 0,4 – 0,4 – –

23

В зависимости от типа почвы и ее культурного состояния эти различия проявляются в значительных колебаниях числен-ности и структуры почвенной биоты вообще и микроорганиз-мов в частности. Наибольшее количество почвенных микро-организмов содержится в черноземах и отдельных подтипах каштановых почв. Высокой численностью микроорганизмов характеризуются также сероземные почвы (при орошении). К северу и югу региона распространения этих почв числен-ность микробного населения сокращается. Микробиота актив-но функционирует в основном в верхнем гумусовом слое, где сосредоточен наибольший запас питательных элементов, т.е. плодородие почв и почвенная биота взаимосвязаны.

Структурные изменения в функционировании экосистем в различных почвенно-экологических условиях определяются участием различных групп почвенного бионаселения в биохи-мических процессах. Например, в северных экосистемах в биологическом круговороте активное участие принимает гриб-ное население; к югу – в структуре микробного ценоза преоб-ладают бактерии и актиномицеты.

Выявлены и видовые особенности микроорганизмов в функционировании различных экосистем (табл. 2.1). В экоси-стемах со слабым течением минерализационных процессов (дерново-подзолистые и особенно подзолистые почвы) доми-нантами выступают виды, участвующие в распаде органиче-ского вещества на ранних этапах (Вас. cеreus, Вас. virgulus, Вас. agglomeratus). Более глубокая трансформация органиче-ского вещества протекает при участии Вас. idosus, Вас. mesen-tericus, Вас. subtilis. В экосистемах с хорошим азотным режи-мом почвы присутствуют Вас. megatherium. Индикатором за-соленных почв является Вас. gasifi cans. В условиях чрезвы-чайной засушливости экосистем (регионы сухостепной зоны) в структуре бациллярного населения доминантой выступает Вас. mesentericus niger.

Таким образом, по структуре микробного ценоза и особенно по видовому составу микроорганизмов можно судить о течении почвообразовательного процесса и состоянии экосистем.

2.3. Òèïû ñâÿçåé â ïî÷âåííîì áèîòè÷åñêîì ñîîáùåñòâå

Населяющие почву живые организмы взаимодействуют между собой и с абиотической средой. Эти взаимодействия основываются либо на трофическом, либо на метаболическом

24

характере связей, рассмотренных в § 2.2. Характер взаимодей-ствий и взаимоотношений определяет уровень почвенного плодородия и состояние «здоровья» земли. Пример трофиче-ского типа связи – связь в системе хищник – жертва. В поч-венной среде связь выражается между животными и микро-организмами, которыми они питаются.

Существующие в природных экосистемах взаимодействия объясняют многие процессы, происходящие в почве. Напри-мер, трансформация растительных остатков протекает в ре-зультате синтрофных и метаболических взаимоотношений, когда одна группа популяции потребляет продукты, которые образуют их предшественники. Яркий пример – нитрифици-рующие бактерии. Нитробактерии потребляют нитраты, про-дуцируемые нитрозными бактериями.

Синтрофный тип отношений лежит в основе очень важно-го с точки зрения «здоровья» земли процесса самоочищения почвы – в основе удаления токсичных продуктов обмена (когда субстрат потребляется смешанными популяциями). В агроэко-системах с преобладанием бессменного выращивания одной культуры, например хлопчатника (монодоминантные агроэко-системы), сокращается микробное разнообразие и выпадает звено, потребляющее продукты обмена (либо изменяются его функции), что приводит к нарушению процесса самоочищения почвы, известному под названием «почвоутомление».Метаболические (аллелохимические) связи проявляются

в том, что населяющие почву живые организмы выделяют в окружающую среду различные продукты, выполняющие функ-ции сигнальных метаболитов и влияющие на рост и развитие растений. Например, микроорганизмы выделяют во внешнюю среду физиологически активные вещества разной химической природы, которые действуют на другие организмы уже в ма-лых концентрациях и выполняют функцию сигнала для рабо-ты системы. Продукты метаболизма микроорганизмов (вита-мины, аминокислоты, ауксины, антибиотики, ферменты и др.) поступают в растения, играя важную роль в их росте и разви-тии. Наиболее активные продуценты витаминов – микроорга-низмы родов Bacillus и Pseudomonas. Некоторые микроорга-низмы способны продуцировать гиббереллиновые и гибберел-линоподобные вещества, которые ускоряют фотохимическую и темновую фиксацию азота, вызывают пробуждение семян и ускоряют их прорастание, стимулируют цветение длинноднев-ных растений при неблагоприятном фоторежиме.

25

Установлено защитное действие микроорганизмов почвы, проявляющееся в подавлении фитопатогенных форм бактерий и грибов.

В сельскохозяйственном производстве широко используют-ся продукты, образуемые в результате метаболических (алле-лохимических) связей, существующих в биоценозах. Напри-мер, насекомые выделяют вещества, которые могут отталки-вать (репелленты) либо привлекать (аттрактанты) других на-секомых или особей противоположного пола. Эти вещества используют при биологической защите растений.

Большое значение имеет симбиотический (мутуалистиче-ский) тип ассоциации. Пример – клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений, связи в лишайнике между грибами и водорослями, микориза (или грибокорень), играющая важную роль в обеспечении древесных растений элементами питания, особенно фосфором и калием. Сеянцы сосны, например, очень плохо растут, если на их корнях нет микоризы, а многие мико-ризные грибы не встречаются вне корней. Связь обычно осу-ществляется через питание: микроорганизмы снабжают хозяи-на витаминами, стиролами, а от него получают кров и пищу. Отсутствие спор грибов в почве иногда бывает причиной не-удач при закладке питомников и посадке культур, особенно на площадях, не бывших под лесом, например в степи.

2.4. Õàðàêòåðèñòèêà è ðîëü ìèêðîîðãàíèçìîâ ïî÷âûâ êðóãîâîðîòå âåùåñòâ

Микроскопическое население почвы чрезвычайно велико и разнообразно. Основные группы почвенного микронаселения: бактерии, грибы, актиномицеты, многочисленные водоросли. Эти организмы характеризуются исключительно малыми раз-мерами (масса бактериальной клетки составляет 2,92·10–12 г, размер – 0,5–1,0 мкм в поперечнике). Для них характерны ко-роткая продолжительность жизни (от нескольких часов до не-скольких дней), необычайно высокая ферментативная актив-ность, высокая чувствительность к малейшим изменениям окру-жающей среды и способность к продуцированию токсинов (ми-котоксинов), например у грибов при определенных условиях.

По отношению к кислороду выделяют аэробные (потребля-ющие кислород) и анаэробные (живущие в отсутствие кисло-рода) организмы, по способу питания – автотрофные (сами

26

создают органическое вещество) и гетеротрофные (питаются готовым органическим веществом). Численность микроорга-низмов сильно колеблется в зависимости от почвенно-эколо-гических факторов.

Микроорганизмы играют основную роль в круговороте ве-ществ в биогеоценозах, минерализуя органические остатки и замыкая таким образом биологические циклы экосистем.

Ежегодно на суше синтезируется огромное количество фи-томассы – (115–117)·109 т, из которой на долю опада приходит-ся (20–50)·109 т. Часть фитомассы (6–20 %) поедают животные и возвращают в почву с экскрементами (10–60 %). Дополняют биомассу прижизненные выделения корней и сама корневая система, составляющая 20–90 % фитомассы растений.

Эти значительные объемы органического вещества мине-рализуются в результате деятельности почвенных организмов, превращаясь из недоступных органических соединений в усвояемые растениями минеральные формы. Основными де-структорами в данном случае выступают микроорганизмы. На долю микроорганизмов приходится 85 % выделяющегося при разложении диоксида углерода, на долю почвенных жи-вотных – 15 %. При этом в аэробных условиях грибы дают 2/3, а бактерии – 1/3 СО2. Далее из минеральных соединений вновь синтезируется органическое вещество. Так, в общем виде про-текает малый (биологический) круговорот.

Характер и интенсивность биологического круговорота зави-сят от трех главных факторов: состава растительности, гидро-термического режима и комплекса организмов-трансформаторов.

Трансформация органических веществ и обмен газообраз-ных продуктов микробного метаболизма сопровождаются вза-имодействием почвенных микроорганизмов с первичными и вторичными минералами почвы.

По своему значению для биосферы данный процесс сопо-ставим с фотосинтезом и фиксацией молекулярного азота, так как минеральные элементы, первоисточники которых находят-ся в литосфере, необходимы для жизни всех организмов на Земле. Без них невозможно создание органического вещества, носителя потенциальной энергии, преобразованной зелеными растениями из кинетической энергии солнечного луча. Прак-тически нет ни одного элемента, который не подвергался бы воздействию микроорганизмов или их метаболитов.

Минеральная часть почвы разрушается под воздействием различных неорганических и органических кислот, щелочей,

27

ферментов и других соединений – продуктов жизнедеятельно-сти почвенных микроорганизмов. Так, нитрифицирующие ми-кроорганизмы выделяют сильную азотную кислоту в процессе нитрификации. При благоприятных условиях в процессе ни-трификации за 1 год в почве может образоваться до 300 кг ни-тратов на 1 га.

Выделяющийся в процессе дыхания микроорганизмов ди-оксид углерода способствует растворению минералов. Не-растворимые фосфаты растворяются угольной кислотой, ко-торая образуется от взаимодействия СО2 и воды при участии микроорганизмов:

Са3(РО4)2 + 2CO2 + 2Н2О → 2СаНРО4 + Са(НСО3)2.

От того, насколько интенсивно происходят данные процес-сы, зависит степень обеспеченности растений необходимыми элементами питания и энергией.

Параллельно с разложением органических остатков в почве идут процессы гумификации. В этих процессах велика роль поч-венной биоты, в частности микроорганизмов. Все разновидно-сти мертвого органического вещества, подвергаясь в почве биологическому разложению и окислению (гумификации), пре-образуются обычно в единую, довольно стабильную химиче-скую субстанцию почвенного субстрата – гумусовые вещества.

При гумификации растительных и животных остатков на-блюдается последовательность в смене деструкторов, видовой состав и интенсивность развития которых в известной степени зависят от органических соединений, входящих в состав рас-тительных и животных остатков. При этом происходит не только разложение органических остатков, но и синтез новых органических соединений. Продукты распада используются, в частности, в процессе синтеза специфических органических веществ почвы – фульвокислот и гуминовых кислот. Принято считать, что фульвокислоты образуются в сильнокислой сре-де, где почвенная фауна представлена слабо. Гуминовые кис-лоты характерны для почв со слабощелочной реакцией, в ко-торых преобладают деструкторы (особенно беспозвоночные животные и дождевые черви). Разложение органических ком-понентов с образованием гумуса, круговорот веществ – все это результат биохимических ферментативных процессов, осуществляемых обитателями почвы. Столь грандиозную по масштабам работу выполняют организмы, биомасса которых

28

исчисляется лишь несколькими тоннами на 1 га. Следует учи-тывать большую скорость круговорота веществ, в результате чего общая суммарная биомасса деструкторов возрастает во много раз и иногда превышает годичную продукцию высших растений (табл. 2.2).

Анализ данных о содержании органических веществ сви-детельствует о том, что запасы гумуса в почвах различных растительных зон (за исключением лесных) больше, чем сум-марная фитомасса соответствующих растительных сообществ. Например, в тундре надземная фитомасса составляет 3– 10 т/га, подстилка, корни, гумус – 270–380 т/га, на чернозе-мах – соответственно 10–20 и 500–1000 т/га.

Гумус накапливается в результате длительного и разно-образного взаимодействия и взаимовлияния населяющих по-чву организмов и высших растений. Почвенное плодородие, основу которого составляют гумусовые вещества, зависит от структуры и активности почвенной микробиоты.

Почвенные микроорганизмы обладают уникальной способ-ностью фиксировать газообразный атмосферный азот и пере-водить его в усвояемые для растений соединения. Азот, фикси-руемый почвенными микроорганизмами, называется биоло-гическим, а микроорганизмы, связывающие молекулярный азот, – азотфиксаторами или диазотрофами.

Суммарная годовая продукция азотфиксации в наземных экосистемах составляет около 175–190 млн т, из которых 90– 110 млн т приходится на почвы агроэкосистем. При этом доля биологического азота в урожае достигает 60–90 %.

Азотфиксирующие микроорганизмы делят на несимбиоти-ческие и симбиотические.

Несимбиотические азотфиксаторы, в свою очередь, подраз-деляются на свободноживущие (не связанные непосредствен-но с корневыми системами растений) и ассоциативные (оби-тающие в прилегающей к корням почве – ризосфере или на поверхности корней, листьев – в фитоплане).

Суммарное годовое количество азота, продуцируемое сво-бодноживущими азотфиксирующими микроорганизмами, ко-леблется для разных почв oт десятков до сотен килограммов на 1 га. Реальный вклад несимбиотических азотфиксаторов в общий баланс почвенного азота в среднем составляет 15 кг/га.

Ассоциативная азотфиксация осуществляется микроор-ганизмами, живущими в ассоциации с растениями, и в этом случае в большей степени зависит от количества и качества

29

Таблица 2.2. Годовая продукция обитателей некоторых экосистем и ее энергетический эквивалент

Зона

Высшие растения Микроорганизмы Водоросли Всего

т/га в год млнкДж/га т/га в год млн

кДж/га т/га в год млнкДж/га т/га в год млн

кДж/га

Тундра 2,5 52,3 1,8 45,2 0,05 1,05 4,35 98,6

Южная тайга:леспашняпойменные луга

6812

125,6167,5251,2

8,418,925,2

211,0474,8633,0

0,51,03,0

10,520,962,8

14,927,940,2

347,1663,2947,0

Зона широколиственных лесов:леспашня

1110

230,3209,3

21,624,0

542,6602,9

1,01,0

20,920,9

33,635,0

793,8833,1

Черноземная степь:целинапашня

1115

230,3314,0

21,631,2

542,6783,7

1,01,0

20,920,9

33,647,2

793,81118,6

Пустыня:целинапашня

1,215

25,1314,0

13,532,4

339,1813,9

0,51,5

10,531,4

15,248,9

374,61159,3

Тропический влажный лес 34 711,8 144,0 3617,4 – – 178 4329,2

30

поступающего в ризосферу легкодоступного органического вещества и энергии. Этот процесс тесно связан с процессом фотосинтеза.

Симбиотические азотфиксаторы (клубеньковые бакте-рии) живут в тканях растений, стимулируя образование осо-бых разрастаний на корнях или листьях в форме клубеньков или узелков, в которых осуществляется фиксация азота атм о-сферы. Такие разрастания называются бактероидами и факти-чески являются азотфиксирующими органеллами клеток бо-бового растения-хозяина.

Симбиотическая азотфиксация, протекающая при участии клубеньковых бактерий, дает 60–300 кг азота на 1 га.

При фиксации атмосферного азота исключается загрязне-ние почв, водоемов и атмосферы, которое имеет место при внесении химического азота.

Процесс восполнения запасов азота в почве за счет биоло-гической фиксации важен и с энергетической (экономической) точки зрения, так как на производство химических азотных удобрений приходится примерно треть всех средств, вклады-ваемых в сельскохозяйственное производство.

Способность почвенных микроорганизмов усваивать атмо-сферный азот используют при разработке биопрепаратов на осно-ве активных штаммов микроорганизмов. Если первые разрабо-танные биопрепараты, например нитрагин, изготавливали на основе симбиотических микроорганизмов (клубеньковых бакте-рий), то сейчас успешно применяют препараты на основе несим-биотических микроорганизмов (Klebsiella, Rhizobium и др.).

Уникальные функции микроорганизмов по фиксации ат-мосферного азота приобретают особое значение и связи с усилением антропогенного воздействия на агроэкосистемы и возможностью использования биологических механизмов пи-тания растений. Это позволяет в будущем перейти от совре-менного «химического» земледелия к конструированию агро-биоценозов на биологической основе.

Микроорганизмы в течение 1 года на 1 га пахотного слоя почвы могут синтезировать до 400 г тиамина, 300 г пиридок-сина и 1 кг никотиновой кислоты, причем при обогащении по-чвы Azotobacter количество витаминов в ней возрастает в 5 раз. В результате значительной численности микроорганиз-мов, высокой скорости их генерации и короткой продолжи-тельности жизни в биологический круговорот вовлекается

31

большое количество микробной биомассы, что обусловливает почвенное плодородие и снабжение растений необходимыми элементами и другими жизненно важными веществами, при-чем эти вещества поступают в сбалансированном виде и в не-обходимые для растения сроки.

2.5. Ìèêðîîðãàíèçìû — ïîêàçàòåëè àíòðîïîãåííîãî çàãðÿçíåíèÿ ýêîñèñòåì

Микроорганизмы, обладая исключительной чувствитель-ностью и большим видовым разнообразием, могут служить хорошими индикаторами состояния экосистем. Так, в услови-ях повышенного загрязнения биогеоценозов токсичными тя-желыми металлами, переуплотнения почвы изменяется ком-плекс микробиологических показателей Например, на участ-ках, подверженных повышенному антропогенному воздей-ствию по уровню загрязнения свинцом (по степени плотности различия несколько выше) отмечается 7–10-кратное снижение численности аэробных гетеротрофных микроорганизмов.

Изменяется также характер круговорота азота в системе поч ва – растение в результате снижения способности почвен-ной микробиоты связывать атмосферный азот и использовать его в процессе ассимиляции.

Под влиянием загрязнения и уплотнения нарушается ре-продуктивная функция актиномицетов, что выражается в уве-личении доли их аспорогенных форм, появлении актиномице-тов группы Niger.

Высокую индикационную способность рассмотренных по-казателей подтверждают и результаты модельных опытов, про-веденных на дерново-подзолистой почве. Так, увеличение со-держания свинца, значительно ослабляющего функционирова-ние экосистемы (что проявляется в снижении интенсивности роста подземных и надземных органов растений), диагности-руется ростом содержания стерильных актиномицетов, появ-лением черноокрашенных групп данных микроорганизмов (группа Niger), снижением видового разнообразия бацилл и появлением фитопатогенных грибов.

Полученные результаты могут быть использованы при оценке «здоровья» почвы, устойчивости экосистем, нормиро-вании загрязнений.

Высокая ферментативная активность микроорганизмов определяет их главенствующее значение в процессах разложе-ния токсикантов в почве.

Процесс деградации осуществляется либо в результате пе-ревода токсикантов в связанное состояние, либо вследствие превращения их в менее токсичные. При этом микроорганиз-мы могут потреблять тот или иной препарат в качестве росто-вых и энергетических материалов. Например, распад ксенобио-тика метурина идет через дегидроксилирование с образовани-ем фенилметилмочевины. Данное соединение под действи-ем почвенной микрофлоры деметилируется с образованием фенилмочевины, которая гидролизуется до анилина. Ани-лин используется микрофлорой (штамм Alcaligenes faecali) как источник углерода и энергии.

В использовании микроорганизмами (смешанно; культурой бактерий) пестицидов в качестве ростовых и энергетических субстратов, возможно, заключается радикальное решение про-блем детоксикации ксенобиотиков. Необходимо создавать оптимальные условия для нормального формирования и функ-ционирования почвенной биоты как фактора устойчивости экосистем и одной из важных предпосылок, обеспечивающих получение экологически безопасной сельскохозяйственной продукции.

33

Ãëàâà 3

ÏÎ×ÂÅÍÍÀß ÁÈÎÒÀ È ÁÈÎËÎÃÈ×ÅÑÊÈÅ ÏÐÎÖÅÑÑÛ ÏÎ×ÂÅ

3.1. Ïî÷âåííûå âîäîðîñëè è èõ ôóíêöèîíèðîâàíèå

Среди почвенных водорослей наиболее широко распро-странены зеленые и синезеленые (около 500 видов каждого от-дела), далее – диатомовые (около 300 видов) и желтозеленые (более 150 видов).

Известна роль водорослей как первопоселенцев на различ-ных минеральных субстратах, заселяющих скалы и различные поверхности, имеющие достаточное освещение. Водоросли обнаружены во всех почвах, в том числе в полупустынных и пустынных. Их численность и биомасса зависят от влажности и условий освещения, изменяясь от 5 тыс. до 1,5 млн клеток в 1 г почвы. Количество их возрастает на поверхностях с низ-ким проективным покрытием высших растений, в частности на солонцах, такырах. Годовая продукция почвенных водорос-лей в разных почвах колеблется от 50 до 1500 кг/га.

Функции водорослей в почвах определяются ролью первич-ных продуцентов органического вещества, а также накоплени-ем органического вещества, обогащенного азотом. Синезеле-ные водоросли (цианобактерии) способны фиксировать атмо-сферный азот. Эта исключительная способность цианобактерий (прокариот) не свойственна другим водорослям (эукариотам), для которых источниками азота служат аммонийные и нитрат-ные соединения. В данном случае водоросли выступают кон-курентами растений за доступные формы азота. В паровых полях и после уборки урожая развитие водорослей может спо-собствовать временному закреплению соединений азота и пре-дотвращению их вымывания из почвы.

Водоросли оказывают благоприятное влияние на кисло-родный режим почв, на почвенную структуру. Поскольку они являются фотосинтезирующими микроорганизмами, то не нуждаются в готовых органических веществах. Однако в слоях почвы, куда не проникает солнечный свет, некоторые из них начинают вести гетеротрофный образ жизни и погло-щают растворенные органические вещества. Степень прояв-ления разных типов питания в метаболизме водорослей за-

34

висит от освещенности, количества органических и мине-ральных веществ в среде, окислительно-восстановительного потенциала и рН среды.

Водоросли – чувствительные индикаторы загрязнения по-чвы. Зеленые водоросли чутко реагируют на засоление, изме-нение рН губительно сказывается на синезеленых водорослях. Желтозеленые водоросли служат показателями загрязнения почвы пестицидами и другими токсинами.

3.2. Ïî÷âåííûå ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå ïðè ó÷àñòèè æèâîòíûõ

Масса органического вещества, создаваемого растениями и водорослями, т.е. первичными продуцентами, поступает в био-логическом круговороте к следующему звену – консументам. Наряду с основными преобразователями органической мас-сы – грибами и бактериями – немаловажную роль играют по-чвенные животные. Помимо механического воздействия на почву они существенно влияют на почвообразование, структу-ру почвы, ее биологическую активность.

В соответствии с особенностями образа жизни и размерами выделяют нано-, микро-, мезо-, макро- и мегафауну.

Нанофауна представлена одноклеточными простейшими; микрофауна – многоклеточными микроскопическими живот-ными (коловратками, нематодами, тихоходками, клещами, но-гохвостками); мезофауна – мелкими насекомыми, некоторыми многоножками, мокрицами, пауками, энхитреидами; макро-фауна – дождевыми червями, многоножками, мокрицами, ли-чинками насекомых; мегафауна – землероями.

Роль почвенных животных чрезвычайно велика в транс-формации растительных остатков: в их измельчении, способ-ствующем более быстрому разложению, перемешивании с минеральной частью почвы и биохимической переработке. При этом важное значение для почвообразования имеют пере-мещение материала из нижних горизонтов на поверхность, перенос растительных остатков и гумусного поверхностного слоя вглубь почвы. Не усвоенная животными часть остатков выбрасывается ими в виде экскрементов, обогащенных ки-шечной бактериальной флорой. В экскрементах органические вещества тесно перемешаны с минеральными частицами. Экскременты почвенных животных обогащены доступными формами азотной и зольной пищи, биогенным кальцитом, что уменьшает кислотность почвы и улучшает ее структурность.

35

В наиболее благоприятных для животного населения почвы условиях они могут перерабатывать до 225 т почвенной массы на 1 га за 1 год.

Примечательно, что регулярные вертикальные миграции совершают практически все активно передвигающиеся живот-ные: личинки хрущей, проволочники, мокрицы, ногохвостки, клещи и т.д.; причем все они реагируют на малейшие измене-ния среды, особенно влажности и температуры. Мелкие чле-нистоногие (клещи и ногохвостки) совершают миграции в глу-боких слоях почвы даже зимой, когда верхний слой замерзает. Во время оттаивания почвы они перемещаются в поверхност-ные слои, хотя там температура почвы в это время не превы-шает 1,0–1,5 °С.

Многие организмы, начиная с простейших, выделяют био-логически активные вещества, стимулирующие рост микроор-ганизмов, корней растений, подавляющие активность вредных для растений грибов.

В почвообразовании исключительно велика роль дождевых червей. Они прокладывают в почве огромное количество хо-дов. Общее количество почвенной массы, ежегодно пропуска-емой дождевыми червями через пищеварительный канал, мо-жет достигать 25 т/га. Количество органического вещества, поедаемого и перерабатываемого дождевыми червями ежегод-но, доходит до 1 т/га. Черви углубляют плодородный слой по-чвы. Благодаря вертикальным ходам усиливаются водопрони-цаемость, аэрация, улучшаются условия для прорастания кор-ней растений. Деятельность дождевых червей влияет и на структуру почвы, что крайне важно для улучшения ее агроно-мических свойств. Структурные отдельности почвы, образую-щиеся при проходе через кишечник червей растительных остатков и минеральных частиц, отличаются высокой проч-ностью, устойчивостью к размыванию. В пищеварительном тракте червей непереваренные остатки пищи перемешиваются с минеральными частицами, склеиваются слизистыми выделе-ниями стенок кишечника, сильно спрессовываются при пери-стальтических сокращениях его мышц и выбрасываются в виде так называемых копролитов («каменных экскрементов»).

В кишечнике дождевых червей, кроме того, накапливают-ся минеральные вещества в доступной для растений форме. Многие почвенные минералы, проходя через кишечник чер-вей, разрушаются (например, из песчинок базальта высвобож-

36

даются калий и магний), так что в копролитах бывает больше растворимых фосфора, калия, магния, чем в окружающей по-чве. К тому же экскременты червей обогащаются аммиаком, образующимся в кишечнике, а проделанные червями ходы – аммиаком, выделяемым со слизью с поверхности тела.

Учитывая огромную роль дождевых червей в повышении плодородия почв, следует способствовать их расселению, осо-бенно в садах, на пастбищах и сенокосах, где почвы не обраба-тывают ежегодно. Расселение червей путем случайного заноса иногда происходит быстро, но может протекать и очень мед-ленно; маловероятно их попадание на изолированные участки, значительно удаленные от ареалов ближайших популяций. Поэтому при освоении новых территорий целесообразно про-водить интродукцию дождевых червей.

Накоплен опыт интродукции и других видов почвенной фауны. В частности, австралийский почвенный зоолог Г.Ф. Борнемисса предложил провести работу по интродук-ции навозников, питающихся экскрементами копытных, что-бы они способствовали освобождению пастбищ от скопле-ний навоза и ликвидации массового размножения назойли-вых и кровососущих мух, развивающихся в нем.

Состав почвенной фауны изменяется в почвах разных зон. В тайге в подзолистых и дерново-подзолистых почвах живот-ные встречаются в самом верхнем слое почв и в подстилке практически не глубже 10 см.

Биомасса животных у северной границы тайги составляет 10–20 г/м2, а у южной – вдвое выше. По мере продвижения к югу с увеличением мощности гумусового слоя возрастают численность почвенных животных, их разнообразие: они про-никают на все большую глубину.

В еловых лесах Подмосковья большинство животных оби-тает на глубине 15–20 см. Только зимой черви, клещи и ного-хвостки спускаются глубже, стараясь не попадать в промерз-ший слой почвы. В особенно холодные зимы, когда морозы схватывают не успевшую покрыться снегом землю, случается массовая гибель от вымерзания многих почвенных животных: дождевых червей, энхитреид, личинок насекомых, многоно-жек и даже микрофауны.

Наиболее многочисленна почвенная фауна под широколи-ственными лесами – на серых лесных почвах, буроземах, чер-ноземах. Здесь животные обитают на глубине до 1 м, а микро-организмы – до 2 м.

37

Столь же богата и еще более разнообразна почвенная фауна в широколиственных лесах субтропиков на желтоземах и крас-ноземах. Здесь животные проникают на глубину до 40–50 см, так как дальше идут тяжелые переувлажненные глины.

Скорость разложения опада зависит от погодных условий, состава беспозвоночных. Пищевые пристрастия животных не совпадают. Так, кивсяки и мокрицы охотнее питаются листья-ми ясеня и ольхи, а не дуба и бука, а дождевые черви предпо-читают листья бузины и лещины. Почти все виды мезофауны не едят опад хвойных пород, но его охотно потребляют пан-цирные клещи, которые, выедая хвоинки изнутри, увеличива-ют поверхность опада в 10 тыс. раз; он становится более до-ступным для разложения микроорганизмами. Предлагается даже искусственно расселять орибатид в местах, где разложе-ние подстилки замедлено.

Труднее точно определить роль в трансформации органи-ческого вещества многих более мелких групп микроартропод и нематод, которые зачастую питаются не самими мертвыми растительными веществами, а разлагающими их грибами. Но их значение, несомненно, велико, поскольку численность этих животных высока, а интенсивность метаболизма больше, чем у крупных форм.

В степной зоне, по сравнению с лесной, численность жи-вотных в почве явно ниже, а биомасса меньше в 3 раза. Замет-но отличается и состав животных, так как в степи меньше оби-тателей подстилки и форм, питающихся гниющими раститель-ными остатками. В то же время в степи больше фитофагов (личинок хрущей, щелкунов, чернотелок), а из позвоночных – корнеедов. В отдельные годы биомасса одних лишь личинок хрущей может достигать 10 г/м2. Общая биомасса почвенных животных составляет 20–30 г/м2, причем 20–50 % приходится на долю дождевых червей, 15–25 % – на личинок хрущей; много также личинок насекомых, кивсяков, губоногих много-ножек и т.д. В степях особенно заметна почвообразующая дея-тельность муравьев.

Почвенная фауна пустынь весьма малочисленна. Здесь со-вершенно нет дождевых червей (они встречаются только на поливных землях и в поймах рек), кивсяков, мокриц подсти-лочного комплекса и многих других привычных почвенных животных. Зато в пустыне часто встречаются эмбии, скорпио-ны, пустынные мокрицы, термиты, слепозмейки, крупные гео-

38

филиды, сколопендры. На поливных землях пустынь роль поч-вообразователей берут на себя дождевые черви; большое зна-чение приобретают и почвенные простейшие.

При вовлечении почв в активный сельскохозяйственный оборот резко снижается численность почвенной фауны, осо-бенно при интенсивной механической обработке почвы и при-менении пестицидов. Минимизация почвообработки и пере-ход к прямому посеву без механической обработки почвы спо-собствуют развитию почвенной фауны и соответственно улуч-шению свойств почв, их структурного состояния благодаря биологическому саморыхлению.

В составе почвенной фауны значительное распространение имеют вредоносные виды: проволочники, медведки, гусеницы совок, корневые тли, личинки майского жука и др. На их раз-множение благотворно влияет бессменное возделывание куль-туры и несовершенство агротехнологий. Создание условий для увеличения видового разнообразия и численности почвен-ной фауны наряду с защитными мерами способствует сниже-нию численности вредных видов.

3.3. Ïî÷âåííûå ãðèáû è èõ ôóíêöèè

Царство Грибов объединяет гетеротрофные эукариотные организмы – от одноклеточных до нитчатых, мицелярных. Оно представлено отделами – хитридиомицетами, зигомице-тами, аскомицетами, базидиомицетами, дейтеромицетами и грибоподобными организмами – микомицетами. Мицелий грибов в почве достигает общей длины от сотен до десятков тысяч метров, а биомасса – 1–2 т/га. Очень много грибов в лесных подстилках.

Грибы играют особую роль в разложении органического вещества почв. Соприкасаясь с субстратом клеточной оболоч-кой, они выделяют через нее во внешнюю среду ферменты и поглощают питательные вещества абсорбционным путем. Все почвенные грибы – аэробные организмы. Среди них есть паразиты и симбиотрофы, хищники и сапрофиты, развиваю-щиеся на мертвых остатках растений и животных.

Грибы являются гетеротрофами, но в зависимости от набо-ра ферментов, которыми они располагают, выделяют экологи-ческие группы, отличающиеся по своим пищевым потребно-стям и возможностям освоения субстратов.

39

Так называемые сахарные грибы используют легкодоступ-ные углеводы, крахмал, гемицеллюлозу. Более медленно ра-стут целлюлозоразрушающие грибы, не выдерживающие кон-куренции с сахарными грибами за легкодоступные субстраты. В группу разлагателей лигнина входят грибы, которые начи-нают развиваться, когда все легкодоступные субстраты уже использованы. По мере разложения растительных остатков начинают развиваться грибы, способные разлагать гумусовые вещества.

Многие почвенные грибы синтезируют черные пигменты – меланины. После отмирания мицелия меланины накапливают-ся в почве и входят в состав почвенного гумуса. Мицелий гри-бов агрегирует почвенные частицы, структурируя почву. Гри-бы выделяют в среду многие органические кислоты, раство-ряют труднодоступные для растений фосфаты. Они способны осуществлять процесс гетеротрофной нитрификации. За 1 сут грибы разлагают в 2–7 раз больше органического вещества, чем потребляют.

3.4. Áàêòåðèè è àêòèíîìèöåòû, èõ ôóíêöèè â ïî÷âå

Бактерии – одна из наиболее богато представленных групп микробиоты. Они относятся к прокариотам, т.е. к «доядер-ным» организмам, размножаются простым делением. По при-знаку строения наружных покровов клетки различают грам-отрицательные эубактерии, грамположительные эубактерии, микоплазмы (не имеющие клеточных стенок) и архибактерии (или археи).

С деятельностью бактерий связано большинство процес-сов, определяющих почвообразование и плодородие почв: азотфиксация, аммонификация, нитрификация, денитрифика-ция, окислительно-восстановительные процессы, разложение органических веществ, образование и минерализация гумуса, процессы разрушения и новообразования минералов, метабо-лизм серы, фосфора, калия, железа, марганца и других элемен-тов. С помощью микроорганизмов осуществляется множество реакций, которые не могут проходить в природных условиях чисто химическим путем.

Весьма специфичным в метаболизме углерода в почве яв-ляется брожение, представляющее окисление анаэробного типа. Брожению подвергаются углеводы, спирты, органиче-

40

ские кислоты, аминокислоты, пурины, пиримидины. В резуль-тате образуются органические кислоты, спирты, ацетон, а так-же СО2 и Н2. По преобладающему продукту различают броже-ние спиртовое, молочно-кислое, масляно-кислое и др.

Бактерии выступают главными агентами в круговороте азота. При фиксации азота из воздуха микроорганизмами происходит его восстановление до аммиака с последующим включением в аминокислоты. Разложение органических азотсодержащих со-единений (аммонификация) приводит к освобождению азота в форме аммония, который далее окисляется последовательно до нитритов и нитратов (нитрификация). Окисленный азот может вновь восстанавливаться до N2 в процессе денитрификации.

Аммонийные и нитратные формы соединений азота асси-милируются растениями и микроорганизмами, что приводит к временному закреплению азота в органических веществах, к его иммобилизации в микробной биомассе. В процессе дени-трификации возможны газообразные потери азота.

В последние десятилетия резко возросло внимание к про-цессам азотфиксации, переросшее в проблему «биологиче-ского» азота. Существенно изменились представления о раз-мерах фиксации азота из воздуха в почвах и организмах, уча-ствующих в данном процессе. Не так давно полагали, что азотфиксация присуща только узкому кругу микроорганиз-мов – представителям родов Azotobacter, Clostridium, Rhizo-bium и цианобактериям. Но к настоящему времени такая спо-собность обнаружена у представителей большинства физиоло-гических и таксономических групп бактерий. Высказывается предположение о наличии ее у всех прокариот.

Из числа азотфиксаторов были окончательно исключены эукариоты – грибы, водоросли, растения и животные, а азот-фиксация включена в перечень принципиальных различий между прокариотами и эукариотами. Новым стало обнаруже-ние у многих бактерий-азотфиксаторов способности перехо-дить к противоположному процессу – денитрификации при наличии нитратов в среде.

Для понимания роли азотфиксирующих бактерий в поддер-жании продуктивности и устойчивости биосферы важно обна-ружение разнообразных по составу симбиозов с эукариотны-ми организмами, причем и с растениями, и с животными. По современным представлениям, симбиозы являются не только способом совместного существования организмов раз-ных видов, но и особой формой жизни, когда комбинации раз-

41

нородных компонентов преобразуются в интегрированную си-стему, имеющую собственные уникальные морфологию, ана-томию, физиологию и экологию.

Азотфиксирующие симбиозы весьма различны по составу входящих в них организмов, но обладают одним общим свой-ством – тесным сопряжением биогеохимических циклов азота и углерода. Такая интеграция азотного и углеродного метаболиз-ма наиболее характерна для симбиозов бактерий и растений.

К симбиотическим диазотрофам относятся микроорганиз-мы, которые проникают в ткани ограниченного числа видов растений-хозяев, стимулируя образование особых разрастаний на корнях или на стеблях в форме клубеньков или узелков. В настоящее время выделяют четыре рода клубеньковых бак-терий: Rhizobium, Sinorhizobium, Mezorhizobium, Bradyrhizobi-um. Благодаря азотфиксирующим симбионтам бобовые обога-щают почву азотом. В зависимости от условий роста растений они накапливают от 60 до 300 кг/га азота в год.

Несмотря на высокую эффективность азотфиксации в сим-биозах, в масштабах биосферы их вклад в общий баланс «био-логического» азота сравнительно невелик, что обусловлено ограниченностью распространения бобовых растений. В при-роде азот в наибольших масштабах фиксируется в ходе ассоциа-тивной азотфиксации при взаимодействии бактерий и растений, не образующих клубеньков. Источником углерода и энергии в этом случае служат экссудаты листьев и корней, внеклеточные слизи цианобактерий, корневой и надземный опады.

Ассоциативные азотфиксирующие бактерии распростране-ны повсеместно и встречаются среди представителей самых разных таксономических групп, относящихся как к хемотро-фам, так и к фитотрофам, аэробам и анаэробам.

Для оценки вклада диазотрофных микроорганизмов в азот-ный баланс необходимо изучать динамику ассоциативной азотфиксации, которая неодинакова под различными растения-ми и в междурядьях как на протяжении вегетационного пери-ода, так и в течение суток. Наиболее интенсивное развитие азотфиксации наблюдается под посевами злаков в фазе их ко-лошения и цветения, под картофелем – в начале цветения. Под растениями данный процесс идет более активно, чем в междурядьях, что объясняется стимулирующим влиянием растений на деятельность диазотрофных бактерий в связи с поступлением в прикорневую зону легкодоступного энергети-ческого материала из корневого экссудата и корневого опада.

42

Процесс азотфиксации сопряжен с фотосинтезом, о чем сви-детельствует увеличение ее интенсивности в наиболее осве-щенное время суток.

По имеющимся оценкам, за счет ассоциативной азотфик-сации в зонах умеренного климата в почвы ежегодно посту-пает до 30–50 кг N2 на 1 га, а в тропической зоне – 100 кг/га. Вопрос о масштабах ассоциативной азотфиксации в конкрет-ных почвах и под конкретными видами растений остается дискуссионным.

Наиболее динамичное звено в цикле азота – аммонифика-ция. В данном процессе участвуют разнообразные протеазы очень многих микроорганизмов (бактерий и актиномицетов). Активные возбудители аммонификации известны среди раз-нообразных аэробных и анаэробных бактерий из многих ро-дов. Это малоспецифическая функция. Для процесса аммони-фикации большое значение имеет отношение С : N в разлагае-мом субстрате. Чем оно меньше, тем выше эффективность ам-монификации.

Следующее звено в круговороте азота – нитрификация. Она осуществляется двумя принципиально разными группами микроорганизмов. К первой группе относятся высокоспециа-лизированные бактерии, проводящие автотрофную нитрифи-кацию; ко второй – разнообразные бактерии и грибы, осущест-вляющие гетеротрофную нитрификацию. Длительное время считалось, что ведущую роль в процессе окисления аммония до нитритов и далее до нитратов играет автотрофная нитрифи-кация, а деятельность гетеротрофных нитрификаторов даже не рассматривалась. Теперь высказываются мнения, что гетеро-трофная нитрификация по масштабам превышает автотроф-ную. Особо интенсивное развитие первой происходит в усло-виях обилия органических веществ.

Последнее звено в «контролируемом» микроорганизмами биогеохимическом цикле азота – денитрификация. Этот про-цесс протекает в анаэробных условиях и подавляется кислоро-дом. В природе денитрификация имеет широкие масштабы, со-измеримые с азотфиксацией. Агрономическая и экологическая оценка данного процесса не всегда совпадают. Для земледелия денитрификация означает потери азота, а для природы в це-лом – оздоровительный процесс, благодаря которому происхо-дит предохранение грунтовых вод и водоемов от чрезмерного накопления в них нитратов, вымываемых из почв. Денитрифи-кация играет положительную роль при очистке сточных вод.

43

3.5. Ïîëèôóíêöèîíàëüíîñòü ìèêðîîðãàíèçìîâ

В последние годы активно пересматриваются прежние представления об узкой специфичности функций определен-ных микроорганизмов. Для удобства изучения микроорганиз-мы были разделены на физиологические группы: азотфиксато-ры, аммонификаторы, денитрификаторы, протеолитические и т.д. Часто микроорганизм называют по какому-либо опреде-ленному процессу, хотя он мог быть для его жизнедеятельно-сти одним из многих возможных процессов. Исторически, по мере открытия микроорганизмов и функций, это было законо-мерно, но в дальнейшем происходила абсолютизация пред-ставлений и складывалось мнение, что Azotobacter – основной азотфиксатор в почвах, Metallogenicum – основной рудообра-зователь и т.д. Однако при новых микроорганизмах стало ясно, что каждая из перечисленных функций широко распро-странена среди почвенных микроорганизмов. Установлено, что нет отдельных физиологических групп бактерий – азот-фиксаторов и денитрификаторов. Один и тот же микроорга-низм проводит тот или иной процесс в зависимости от кон-кретных условий окружающей среды. При наличии органи-ческого вещества и недостатке связанного азота в среде про-исходит азотфиксация. Если же имеется органическое вещество при избытке нитратов и недостатке кислорода – идет денитрификация. Отметим, что чрезвычайно важно было бы выяснить, насколько различаются окислительно-восстановительные условия (концентрация кислорода) для протекания этих двух процессов. Если микроорганизм – азотфиксатор–денитрификатор в процессе своего роста ис-пользует белки или аминокислоты, то становится аммонифи-катором. Обычно он может проводить и гетеротрофную нитрификацию.

Таким образом, генетические возможности микробов ока-зываются весьма обширными и нужно говорить скорее о физио-логических процессах, проводимых микроорганизмами, а не о физиологических группах микробов.

Многие микробиологи-экологи считают, что имеются спе-цифические группы микроорганизмов, использующих опреде-ленные органические вещества. Особенно это касается грибов. Существует мнение о наличии специфических групп сахаро-литических, пектинолитических, целлюлозолитических, хити-нолитических, лигнинолитических грибов. Однако такое деле-

44

ние во многом условно. В отношении сахаролитических грибов нужно заметить, что вообще нет микроорганизмов, которые не синтезировали бы гидролазы. Поэтому наряду с использовани-ем сахаров и других мономерных органических соединений са-харолитические грибы могут усваивать и некоторые полимеры, особенно крахмал, белки и др. Кроме того, гидролазы всегда содержатся в почве, и микроорганизмы могут использовать для своей жизнедеятельности «чужие» гидролазы. Даже микроор-ганизм, который синтезирует специфические гидролазы типа целлюлаз, вполне может усваивать ряд мономеров.

Конечно, из сказанного нельзя делать вывод об отсутствии физиологических различий между микроорганизмами, однако на данном этапе развития экологии микроорганизмов нужно особенно подчеркнуть полифункциональность каждого вида. Принцип дублирования в проведении определенных фи зио-лого-биохимических процессов широко распространен. Чем больше дублеров, тем быстрее идет процесс (разложение саха-ров, спиртов, органических кислот); чем меньше дублеров, тем медленнее протекает процесс (разложение фенола, ани-лина, нафталина, ряда пестицидов и др.).

Дублирование, широко проявляясь в почвах, дает возмож-ность более точно и тонко поддерживать гомеостаз даже в из-меняющихся физико-химических условиях.

3.6. Êîíöåïöèÿ ïî÷âû êàê ìíîæåñòâà ñðåäîáèòàíèÿ ìèêðîîðãàíèçìîâ

Понятие «почвенные микробоценозы» постоянно коррек-тируется представлениями о комплексах почвенных микроор-ганизмов. Новая концепция отрицает строгую и жесткую орга-низованность почвенных микроорганизмов в единой системе.

С позиций микробиологии почва представляет собой край-не гетерогенную среду и не может рассматриваться как единая однородная среда обитания. Благодаря своей структурирован-ности и микрозональности она должна рассматриваться как набор различных микро- и мезозон, в каждой из которых соз-даются различные и часто прямо противоположные условия для развития отдельных групп микроорганизмов.

Множество таких микросред может находиться в каждом грамме почвы. Микро- и мезозоны разделены в пространстве и во времени. Микроорганизмы адаптированы к развитию

45

в микрозонах. Микроскопические размеры, способность бы-стро размножаться и быстро переходить к состоянию покоя или к крайне замедленному метаболизму позволяют им за ко-роткий срок освоить микрозону и выжить при исчерпании за-пасов питания.

Микрозона может быть очень небольшой и занимать всего несколько десятков или сотен кубических микрометров. При этом в ней часто развивается одна микроколония, состоящая из нескольких десятков клеток одного вида. Иногда такие зоны имеют значительные размеры, например кусок разлагающихся растительных остатков. Они могут иметь большую протяжен-ность при небольшой толщине, например поверхность одно-родного участка корня (ризоплана).

Микрозональность основывается на локальном поступле-нии органических остатков и корневых выделений, а также на микрозональности распределения физико-химических условий (окислительно-восстановительного потенциала, рН, концен-трации элементов питания и т.д.), минералогических факторов.

Несмотря на огромное количество микроорганизмов, содер-жащихся в почве (миллиарды на 1 г), оказывается, что клетки, как правило, собраны в микроколонии, разделенные пустыми пространствами, которые по площади в сотни и тысячи раз пре-восходят пространства, занятые микроорганизмами. Таким об-разом, микроколонии, состоящие из клеток одного или несколь-ких видов, могут развиваться сравнительно изолированно.

С точки зрения экологии необходимо установить функции микробного пула – важного приспособления для поддержания гомеостатического состояния в почве. Известно, что каждый тип почвы имеет определенное содержание гумуса, нерастворимых и растворимых органических веществ (полисахаридов, липидов, белков, сахаров, органических кислот и спиртов, аминокислот, витаминов и ферментов), неорганических веществ (нитратов, аммония, подвижного фосфора, соединений, содержащих Fe2+ и Fe3+); определенные окислительно-вос становительные условия и рН со специфическим распределением их по микрозонам. В поддержании отмеченных факторов большое, а часто и реша-ющее значение имеет жизнедеятельность микроорганизмов. При возникновении сдвигов в системе, например при поступлении свежего органического вещества в виде растительных остатков или внесении азотных удобрений, в процессы их трансформа-ции включаются микро организмы, которые должны привести систему в состояние равновесия.

46

Большой пул микроорганизмов в почве необходим по сле-дующим причинам. Горизонтальное и вертикальное переме-щения микроорганизмов в почве затруднены из-за адгезии ми-кроорганизмов почвенными частицами и сложности их пере-движения по мелкопористой системе, каковой является почва. Между тем органические вещества, как и неорганические, по-ступают в определенные микро- и мезозоны почвы случайно. Поэтому для переработки всех поступающих в почву веществ в каждой мезо- или даже микрозоне должен присутствовать полный набор необходимых микроорганизмов. В разное время в данном месте могут возникнуть разные зоны: аэробная или анаэробная, с низкими или высокими температурами, с резко изменяющимися значениями рН и др. Каждый небольшой уча-сток почвы должен содержать микроорганизмы, не только раз-лагающие органические вещества (целлюлозу, лигнин, хитин и т.д.), но и осуществляющие другие необходимые процессы: азотфиксацию, аммонификацию, гидролиз органофосфатов, трансформацию органических и минеральных соединений, минералов и т.д.

Возможны миграции микроорганизмов в почве на неболь-шие расстояния; они осуществляются целенаправленно благо-даря наличию у микробов хемотаксисов.

Микроорганизмы способны при благоприятных условиях чрезвычайно быстро размножаться. Пул дает им возможность быстрее реагировать на изменившиеся условия и, таким обра-зом, способствует более тонкому регулированию гомеостаза и быстрейшему его достижению. Размножение начинается не от единичных клеток, а от тысяч и сотен тысяч, что вызывает ускорение процесса. Первоначальное содержание микроорга-низмов важно для быстрого увеличения числа клеток, необхо-димых для ликвидации произошедшего в системе сдвига.

В природных условиях пул микроорганизмов особенно уве-личивается в экосистемах, в которых условия для протекания микробиологических процессов неблагоприятны, например в высокогорных почвах и почвах тундры, где лето очень короткое и гидротермические условия, благоприятные для развития ми-кроорганизмов, существуют в течение непродолжительного пе-риода. Микробный пул велик и в черноземах, где развитию ми-кроорганизмов препятствуют то недостаток влаги, то морозы.

Пул почвенных микроорганизмов отличается не только большой численностью, но и разнообразием. По микробному генофонду почва – самый богатый субстрат на Земле. Недаром

47

при поисках микроорганизмов – продуцентов определенных ценных веществ (антибиотиков, витаминов, ферментов, ами-нокислот) – в большинстве случаев обращаются к почве как наиболее надежному источнику разнообразных микробов.

Другая важная функция пула состоит в том, что он обеспе-чивает выживание каждого вида микроорганизмов. Почва представляет гетерогенную среду со множеством различных микрозон. Только в части этих микрозон в определенном ин-тервале времени создаются условия, благоприятные для раз-множения и выживания определенного микроорганизма. Для выживания микробов в почве в начале неблагоприятного пе-риода общее число клеток должно быть большим, тогда они будут находиться во многих микрозонах и хотя бы часть их выживет в благоприятных условиях.

С точки зрения функции в почве следует различать два пула микроорганизмов: на более высоком уровне – пул, имеющий существенное значение для микробиологических процессов, протекающих в почве (в данном случае число клеток бактерий должно быть больше 1 млн на 1 г почвы), и пул, обеспечиваю-щий, главным образом, выживание разных видов микроорга-низмов в почве. Во втором пуле численность клеток гораздо меньше, но он очень разнообразен в видовом отношении. Этот пул не имеет существенного значения в метаболических про-цессах на данной стадии сукцессии, но может быть необходим для обеспечения процессов на других стадиях сукцессии или при изменении экологических условий.

Следует отметить, что сама почва как среда обитания по-строена таким образом, что она чрезвычайно благоприятна для выживания пула микроорганизмов (микрозональность).

3.7. Èçìåíåíèå ìèêðîáèîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññîâïðè ñåëüñêîõîçÿéñòâåííîì èñïîëüçîâàíèè ïî÷â

è èõ ðåãóëèðîâàíèå

Вовлечение почв в активный сельскохозяйственный оборот обусловливает резкое усиление микробиологических процес-сов. Наиболее интенсивно развиваются микроорганизмы, уча-ствующие в минерализации органического вещества и в пре-вращении соединений азота в почве. При этом доля микроско-пических грибов уменьшается.

48

Об усилении процессов минерализации свидетельствует уменьшение соотношения микроорганизмов, развивающихся на мясопептонном агаре (МПА) и крахмалоаммиачном агаре (КАА). Дальнейшее изменение данных процессов зависит от характера использования почв. Окультуривание бедных почв способствует усилению процессов гумификации при увеличе-нии общей численности микроорганизмов. Соответственно соотношение микроорганизмов, развивающихся на средах МПА и КАА, расширяется. Окультуривание обусловливает су-щественное увеличение нитрификатов.

При окультуривании почв повышается активность фермен-тов: инвертазы, уреазы, пероксидазы, полифенолоксидазы и де-гидрогеназы; наиболее резко активизируется уреаза (табл. 3.1).

При экстенсивном использовании почв, сопровождающем-ся чаще всего их деградацией, интенсивность микробиологи-ческих процессов и ферментативной активности снижается.

Почвоутомление. Это результат нарушения экологическо-го равновесия в системе почва – растение вследствие односто-роннего воздействия на почвенную среду культурных расте-ний. В роли определяющего фактора выступает перегруппи-ровка почвенных микроорганизмов в направлении повышения удельной массы агрономически менее ценной и вредной ми-крофлоры, в частности увеличения доли микроскопических грибов, актиномицетов и фитотоксичных форм, в общем коли-честве микроорганизмов. Такова реакция микронаселения поч вы на однокачественность ежегодно поступающих в нее растительных остатков.

Фитотоксические свойства на определенных стадиях раз-ложения имеют в разной степени остатки практически всех культур. Например, остатки бобовых обладают ими недолго, а соломистые остатки зерновых колосовых сохраняют эти свойства длительное время.

Почвоутомление проявляется не только при бессменной культуре, но и при чередовании сходных по биологии культур или при высоком насыщении севооборотов культурами одной группы, хотя в первом случае наблюдается повышенное содер-жание токсичных форм микроорганизмов в почве.

Фитотоксичные формы имеются у всех основных групп поч венных микроорганизмов, но самое значительное их коли-чество обнаружено среди микроскопических грибов. Наиболь-шее количество фитотоксичных видов отмечено среди грибов родов Penicillium, Aspergillus, Fusarium, среди бактерий родов

49

Таблица 3.1. Ферментативная активность верхних горизонтов почв зональных типовпри их различном сельскохозяйственном использовании (В.Д. Муха, 1995)

Угодье Мощность генетиче-ского горизонта, см Инвертаза Уреаза Фосфатаза Пероксидаза Полифенол-

оксидаза Дегидрогеназа

1 2 3 4 5 6 7 8

Дерново-среднеподзолистая суглинистая почва

Лес 0–4 5,3 2,0 117 50,4 83,1 9,0Пашня 0–25 5,3 2,4 180 54,6 85,7 7,9Пашня окультуренная 0–30 7,7 2,5 306 54,5 97,8 9,3

Светло-серая лесная почва

Лес 0–3 29,3 2,2 549 76,3 87,2 8,4Пашня 3–22 7,7 2,2 297 35,1 18,0 8,4Пашня окультуренная 0–27 8,3 2,2 213 57,6 83,2 8,8

Чернозем типичный

Залежь 0–1212–45

51,534,9

6,013,4

392198

26,055,0

32,530,5

102,129,7

Пашня 0–2727–47

16,913,4

12,416,0

120133

25,024,0

24,012,6

40,618,7

Пашня окультуренная 0–3030–46

19,431,6

34,020,2

132129

25,054,5

31,530,0

34,835,0

50 Окончание табл. 3.1

1 2 3 4 5 6 7 8

Темно-каштановая слабосолонцеватая почва

Целина 0–10 49,8 9,4 95 41,0 42,5 60,4Пашня 0–27 17,9 14,6 34 42,5 36,5 21,5Пашня окультуренная 0–30 19,4 31,7 88 57,5 74,0 14,0

Пр им е ч а н и е. Инвертаза – в миллиграммах инвертированного сахара на 1 г почвы за 1 сут; уреаза – в миллиграммах NH3 на 1 г почвы за 1 сут; фосфатаза – в миллиграммах Р2О5 на 100 г почвы за 1 ч; пероксидаза и полифенолоксидаза – в миллиграммах пурпургаллина на 100 г почвы за 30 мин; дегидрогеназа – в миллиграммах ТФФ на 100 г почвы за 1 сут.

51

Pseudomonas, Bacillus. Из актиномицетов большей токсич-ностью отличаются культуры с серым воздушным мицелием. Фитотоксичные микроорганизмы распространены во всех по-чвах. Источниками поступления в почву фитотоксичных ве-ществ, помимо фитотоксинов микроорганизмов и продуктов разложения послеуборочных остатков сельскохозяйственных культур, являются также прижизненные выделения надземных органов растений и корневые выделения. С продуктами метабо-лизма корневых систем клевера, люцерны, льна связано сильное утомление данных культур при бессменном возделывании.

При уменьшении видового разнообразия растительного по-крова наблюдается некоторое упрощение микробного ком-плекса почвы. Под влиянием бессменного возделывания зер-новых культур в почве агроценозов происходит увеличение доли фитотоксических форм сапрофитных бактерий и особен-но грибов. Соответственно, бессменное возделывание зерно-вых культур сопровождается накоплением водорастворимых колинов. Количество этих токсичных веществ в почве возрас-тает с длительностью возделывания бессменной культуры.

С экологических позиций почвоутомление – результат эко-логического кризиса, наступающего как следствие дисгармо-нии в отношении растений и почвенной среды в агроценозах.

Почвоутомление – такой экологический механизм, с по-мощью которого система почва – растение пытается освобо-диться от одностороннего воздействия на почвенную среду со стороны искусственного растительного сообщества, создавая условия для его естественной смены. Именно по этой причине в бессменной культуре широко распространены сорные расте-ния, являющиеся одной из стадий возможной сукцессии.

Почвоутомление сопровождается развитием болезней и вредителей растений. Фитосанитарное состояние агроценозов определяется многими факторами, в том числе вредными ор-ганизмами, их развитие не связано с почвенными условиями. Однако у большинства из вредных организмов часть онтогене-за проходит в почве, от состояния которой зависят их распро-странение и вредоносность.

При почвоутомлении более интенсивно накапливается ин-фекционное начало, чему способствует снижение биологиче-ской активности почвы, поскольку дольше сохраняется фито-масса пораженных растений. Кроме того, депрессивные изме-нения в составе микрофлоры почвы обусловливают меньшую

52

встречаемость возбудителя болезни со своими антагонистами из числа сапрофитных микроорганизмов.

В условиях почвоутомления быстрее распространяется первичная инфекция. Растения заражаются на ранних стадиях развития, отчего возрастает вредоносность болезни. В начале вегетации болезнь развивается сильнее в тех агроценозах, ко-торые не сменялись в течение ряда лет. К концу вегетации чис-ло пораженных растений увеличивается и в севообороте, од-нако вредоносность болезни, безусловно, ниже.

При бессменной культуре больше возможностей для реа-лизации инфекционного запаса, поскольку не происходит смены восприимчивых культур менее восприимчивыми. Ин-фекционная нагрузка на одно растение, ослабленное воздей-ствием фитотоксинов, чрезвычайно велика. Этим объясняется высокая поражаемость при бессменном возделывании зерно-вых корневыми гнилями, картофеля – фитофторозом, льна – фузариозом, хлопчатника – вилтом, подсолнечника – ложной мучнистой росой, сахарной свеклы – мучнистой росой, цер-коспорозом и т.д.

Органические удобрения. Интенсивность микробиологи-ческих процессов зависит, прежде всего, от поступления в по-чву органического вещества. Наибольшее влияние на биологи-ческую активность почв оказывают навоз, компосты, сидераты и тем интенсивнее, чем у́же в них отношение С : N. Использова-ние соломы также имеет важное значение, но при ее заделке в почву происходит биологическое закрепление минерального азота вследствие широкого отношения С : N (около 100). Недо-статок азота при внесении соломы следует компенсировать вне-сением азотных удобрений из расчета 6–10 кг на 1 т соломы.

Запашка соломы в условиях повышенного увлажнения не-редко сопровождается накоплением токсичных продуктов анаэробного разложения. Заделка ее должна быть мелкой, чтобы обеспечить разложение токсичных продуктов в аэроб-ных условиях.

В засушливых условиях широко используют мульчирую-щий эффект соломы. Солома активизирует мобилизационные процессы в почве, в том числе деятельность азотфиксирую-щих микроорганизмов. При внесении 1 т соломы фиксируется 5–12 кг азота.

Применение низинного торфа в качестве удобрения мало влияет на биологическую активность почв. Роль его как удо-брения также преувеличена, поскольку три четверти органиче-

53

ского вещества представлено гумусовыми и лигниноподобны-ми веществами, которые минерализуются микроорганизмами очень медленно.

Химическая мелиорация и рекультивация почв. Микро-биологическое «оживление» кислых почв достигается извест-кованием, устраняющим токсичное влияние кислотности, по-вышенное содержание подвижных соединений алюминия, марганца, железа, токсичных для многих микроорганизмов. В результате известкования значительно (в 2–3 раза и более) возрастает количество бактерий, актиномицетов, азотобактера, нитрификаторов; усиливается образование клубеньков у бобо-вых растений.

При гипсовании солонцов, устраняющем избыточную ще-лочную реакцию и улучшающем физические свойства этих почв, также нормализуется состав микрофлоры, угнетаются анаэробы, в частности сульфатредукторы, с которыми связано содообразование.

С повышением биогенности почв связана рекультивация земель, нарушенных промышленностью, строительством, тор-форазработками и т.д. «Оживление» таких субстратов начина-ется с появления цианобактерий, фиксирующих молекулярный азот, зеленых, желтозеленых и диатомовых водорослей. Их со-провождают неспороносные бактерии с преобладанием мико-бактерий. Затем поселяются бациллы и актиномицеты. При искусственном нанесении почвенного слоя и применении ор-ганических удобрений этот процесс существенно ускоряется.

Севообороты. Все звенья системы земледелия, начиная с оптимизации структуры посевных площадей и севооборо-тов, должны строиться с учетом поддержания оптимальной биогенности и биологической активности почв. По мере ин-тенсификации севооборотов, т.е. увеличения доли пропашных технических культур, необходимо усиливать применение орга-нических удобрений, вводить сидеральные культуры, проме-жуточные посевы, многолетние травы, чтобы обеспечить оптимальное содержание в почве лабильного органического вещества в качестве энергетического материала для полезной микрофлоры, в том числе разлагающей пестициды и снижаю-щей риски химизации.

Минеральные удобрения. Оценка влияния минеральных удобрений на микробиологические процессы иногда противоре-чива. Отмечены факты снижения численности бактерий в почвах

54

при использовании высоких доз минеральных удобрений. Трак-товка этих данных не всегда корректна, так же как и представле-ния о потере гумуса при внесении минеральных удобрений.

Следует критически относиться к экологическим мифам о вреде минеральных удобрений, объективно используя источ-ники информации.

Согласно многочисленным данным, применение минераль-ных удобрений не только улучшает питание растений, но и из-меняет условия существования почвенных микроорганизмов, также нуждающихся в минеральных элементах. Под влиянием минеральных удобрений возрастают количество микроорга-низмов и их активность. Фосфорно-калийные удобрения уси-ливают деятельность азотфиксирующих микроорганизмов. Интенсивность микробиологических процессов существенно возрастает под влиянием микроэлементов (Мо, В, Сu, Mn, Zn и др.). Молибден входит в ферментную систему азотфиксиру-ющих микроорганизмов. Для симбиотической азотфиксации необходим также бор.

Характерный показатель активизации микробной деятель-ности под влиянием минеральных удобрений – усиление дыха-ния почвы как результат ускорения разложения органического вещества. Усиление минерализации гумуса компенсируется его приростом за счет увеличения поступления в почву раститель-ных остатков вследствие повышения урожайности растений.

Что же касается влияния минеральных удобрений на уве-личение подвижности гумусовых веществ дерново-под зо-листых почв, то оно связано с подкислением почв. Этим же явлением обусловлено отмеченное снижение численности ми-кроорганизмов в малобуферных песчаных и супесчаных поч-вах при внесении повышенных доз минеральных удобрений. В данном случае не страдают микроскопические грибы, устой-чивые к повышению кислотности почвы. Нетрудно понять, что такого рода экологические издержки обусловлены не удо-брениями, а нерациональным их применением, не сопрово-ждающимся нейтрализацией кислотности, возникающей под влиянием физиологически кислых удобрений.

Обработка почвы. Традиционно механическая обработка почвы, особенно вспашка плугом, рассматривалась как важ-нейшее средство повышения биологической активности по-чвы, усиления минерализации органического вещества и соот-ветственно мобилизации элементов минерального питания.

55

Одно из обоснований вспашки заключалось в устранении диф-ференциации пахотного слоя по биологической активности и плодородию. Суть этой дифференциации – снижение числен-ности всех групп микроорганизмов с глубиной пахотного го-ризонта. Урожайность растений, выращенных на почве из раз-личных слоев данного горизонта (например, по 5 см) в вегета-ционных опытах, сильно снижалась с глубиной. Снижение численности микронаселения с глубиной объясняют ухудше-нием воздушного режима, накоплением токсичных продуктов неполного распада растительных остатков.

Представления об обязательности отвальной вспашки утратили универсальность по мере разработки почвозащит-ных систем земледелия и наукоемких агротехнологий. В степ-ных и лесостепных районах широкое распространение полу-чили безотвальные, плоскорезные, минимальные обработки, обеспечивающие защиту почв от эрозии, дефляции, способ-ствующие сохранению влаги и повышению урожайности. В 70–80-х гг. XX в. стало меняться отношение к регулирова-нию мобилизационных процессов. Выяснилось, что при осво-ении и использовании черноземов в севооборотах с чистым паром накапливается излишнее количество минерального азо-та. В глубокие слои почвы «сбрасывается» большое количе-ство нитратов. Чрезмерная минерализация гумуса в таких условиях была названа биологической эрозией вслед за физи-ческими потерями гумуса в результате процессов смыва по-чвы и дефляции.

В те же годы стали развиваться представления об экологи-ческих функциях органического вещества почв, о необходи-мости охраны почв от дегумификации. Стало очевидным, что в условиях интенсификации земледелия и широких возмож-ностей привлечения агрохимических средств для питания и защиты растений на первый план выходят именно экологиче-ские функции гумуса. Содержание его в значительной мере определяет разрешающую роль по отношению к химизации земледелия.

Снижение активности протеазы по мере минимизации основной обработки почвы свидетельствует о торможении мо-билизации азота уже на начальных этапах его метаболизма. Значительное понижение метаболической активности микро-биоты при минимизации обработки почвы подтверждается резким уменьшением дегидрогеназной активности (табл. 3.2).

56

Таблица 3.2. Изменение ферментативной активности выщелоченного чернозема при минимизации основной обработки почвы*

Слой почвы, см

ВспашкаЧередо-вание

обработок

Глубокое рыхление

Мелкая плоскорезная обработка

Минимальная обработка

Протеаза, мг глицина / (г · сут)

0–10 1,12 0,88 0,92 0,85 0,8310–20 0,74 0,77 0,95 0,82 0,7920–30 0,68 0,71 0,39 0,52 0,3630–40 0,53 0,43 0,28 0,13 0

Инвертаза, мг глицина / (г · сут)

0–10 62,2 58,7 63,3 55,7 55,610–20 58,4 48,3 62,9 54,6 60,920–30 50,6 43,4 40,0 40,8 38,030–40 45,1 43,0 32,7 26,1 22,2

Дегидрогеназ, мг глицина / (г · сут)

0–10 23,4 19,2 19,0 19,2 15,810–20 22,6 13,6 15,8 13,4 14,820–30 20,7 14,4 9,9 8,3 7,530–40 19,0 9,3 8,1 4,1 4,1

* Средние данные за 1986–1988 гг.

В географическом аспекте снижение микробиологиче-ской активности почвы при минимизации обработки усили-вается от каштановых почв к черноземам и далее к лесным и таежным почвам. В этом направлении увеличивается дефи-цит азота. Для его компенсации требуется внесение азотных удобрений, иначе урожайность сельскохозяйственных куль-тур при минимизации почвообработки снижается. В связи с повышением засоренности посевов минимизация механиче-ской обработки почвы сопровождается использованием гер-бицидов. При правильном их применении в соответствии с установленными рекомендациями флуктуация численности и активности микроорганизмов находится в пределах устой-чивости микробного комплекса почвы. При этом отмечены тенденции повышения фитотоксичности грибов, населяю-щих почву.

57

3.8. Îöåíêà áèîëîãè÷åñêîé àêòèâíîñòè ïî÷âû

Биологическую активность почвы оценивают по инте-гральным показателям. Наибольшее распространение получи-ли методы определения дыхания почвы по интенсивности вы-деления СО2, нитрификационной способности, азотфиксирую-щей и целлюлозоразлагающей активности.

Для характеристики биохимических процессов трансфор-мации органического вещества определяют активность фер-ментов в почве. Они включают, главным образом, оксидоре-дуктазы (дегидрогеназу, полифенолоксидазу, пероксидазу, ка-талазу, нитратредуктазу) и гидролазы (инвертазу, амилазу, цел-люлазу, уреазу, протеазу, фосфатазу).

С экологической точки зрения почвенная биота является составной частью наземных экосистем, и потому к ней приме-нимы экологические подходы оценки состояния биологиче-ской составляющей, среди которых ведущее место занимают характеристики таксономического и функционального разноо-бразия микроорганизмов, микро- и мезофауны. Чем выше раз-нообразие, тем выше устойчивость системы. Важно иметь представление о качественном составе микроорганизмов, что позволит оценить фитосанитарное состояние почвы и выявить причины такого феномена, как почвоутомление. Однако ис-пользование этих показателей для мониторинга почвы ограни-чивается недостаточной разработкой экспресс-методов иден-тификации вида микроорганизмов.

К сожалению, до настоящего времени не существует усто-явшейся общепринятой унифицированной системы оценки биологических свойств почвы, на основе которой можно было бы составить некую шкалу, подобно шкале для оценки физи-ческих и химических свойств почвы, хотя необходимость соз-дания такой системы признает большинство специалистов. Предпринимаются попытки систематизировать накопившийся материал, примером чему является ориентировочная шкала сравнительной оценки активности ферментов в почве, приве-денная в табл. 3.3.

58

Таблица 3.3. Шкала для оценки степени обогащенности почвферментами (Д.Г. Звягинцев, 1978)

ПоказательПочва

очень бедная бедная средняя богатая очень

богатаяКаталаза, О2, см3/г за 1 мин

<1,0 1,0–3,0 3,0–10,0 10–30 >30

Дегидрогеназа, мг ТФФ / 10 г за 24 ч

<1,0 1,0–3,0 3,0–10,0 10–30 >30

Инвертаза, мг глюкозы / г за 24 ч

<5,0 5,0–15,0 15,0–50,0 50–150 >150

Уреаза, мг NH3 / 10 гза 24 ч

<3,0 3,0–10,0 10,0–30,0 30–100 >100

Фосфатаза, мг Р2О5 / 10 г за 1 ч

<0,5 0,5–1,5 1,5–5,0 5–15 >15

Следует, однако, отметить, что в отличие от показателей фи-зических свойств, которые для соответствующего типа почвы имеют постоянное значение на большом отрезке времени, био-логические показатели крайне вариабельны и существенно из-меняются в течение вегетационного периода в зависимости от поступления в почву энергетического материала, количества и качества питательных веществ, температуры, водно-воздушного режима, растительного покрова, удобрений, химических мелио-рантов, пестицидов и т.д. Поэтому необходимо обращать осо-бое внимание на время и методы отбора почвенных образцов, способы их хранения и подготовки к анализу. Для общей агро-экологической оценки предпочтительнее отбирать образцы по-чвы весной, до начала проведения агротехнических мероприя-тий, когда почва находится в состоянии физической спелости, а биологическая система – в положении гомеостаза, который характерен для данного типа почвы и соответствующей систе-мы земледелия. Решающее значение в поддержании гомеостаза почвы имеют элементарные поч венно-биологические процес-сы (ЭПБП), отражающие различные этапы превращения орга-нического вещества и преобразования минерального скелета почвы. Исходя из представлений об элементарных почвенно-биологических процессах и учитывая развитие современной методической базы, а также накопленный экспериментальный материал, в настоящее время для оценки биологических свойств почвы следует отдавать предпочтение интегральным показа-телям, включающим биомассу органотрофных микроорганиз-мов, микроводорослей, микро- и мезофауны, дыхание почвы,

нитрификационнную способность, целлюлозоразлагающую и азотфиксирующую активность. Учитывая множество моди-фикаций определения этих показателей, необходима жесткая унификация методов их анализа.

К числу нетрадиционных методов анализа результатов поч-венных микробиологических процессов относится метод ма-тематических графов, который отражает схему потоков де-струкции и синтеза веществ и связь величин данных потоков с численностью основных трофических и таксономических групп микроорганизмов: аммонификаторов, педотрофов, ни-трификаторов, денитрификаторов, азотфиксаторов, амилоли-тических, целлюлозолитических микроорганизмов, микроми-цетов и актиномицетов. Используя этот метод, можно оценить направленность процессов разложения – синтеза органиче-с кого вещества в почве.

60

Ãëàâà 4

ÐÎËÜ ÏÎ×ÂÅÍÍÛÕ ÌÈÊÐÎÎÐÃÀÍÈÇÌΠ ÊÐÓÃÎÂÎÐÎÒÅ ÕÈÌÈ×ÅÑÊÈÕ ÝËÅÌÅÍÒΠ ÍÀÇÅÌÍÛÕ ÝÊÎÑÈÑÒÅÌÀÕ

4.1. Ìèêðîîðãàíèçìû êàê ãåîõèìè÷åñêèå àãåíòû

Современное естествознание признает особую роль почво-обитающих микроорганизмов в поддержании стабильности наземных экосистем и биосферы в целом. Впервые на ведущее положение почвенных организмов в биосфере указал В.И. Вер надский: «Почвы, переполненные живым веществом, представляют живую пленку суши».

Столь важное место почвенных организмов в биосфере обусловлено их следующими особенностями:

по биомассе населяющих ее организмов суша превосхо- дит океан примерно в 750 раз, хотя суша занимает 1/3 по-верхности Земли: «сгущение» жизни в почвах на несколько порядков выше, чем в других природных средах;

60–90 % биомассы Земли представлено микроорганизма- ми (бактериями, микроскопическими грибами, водорослями и простейшими), населяющими, главным образом, почву, при-чем плотность заселения почв микроорганизмами во многом определяет численность и видовое разнообразие всех других ее обитателей, включая растения и животных;

микроорганизмы во много раз превосходят растения и животных по своей биогеохимической активности, поскольку имеют значительно более высокое соотношение своей поверх-ности к объему. В частности, скорость дыхания аэробных бак-терий на 1 г биомассы в сотни раз превышает скорость дыха-ния человека, в слое 0–15 см 1 га плодородной почвы метабо-лический потенциал микроорганизмов эквивалентен метабо-лическому потенциалу десятков тысяч человек;

для микроорганизмов характерна большая лабильность метаболизма, что выражается в использовании ими большого числа разнообразных соединений, недоступных высшим орга-низмам, и в способности ко всем восьми возможным типам пи-тания, тогда как высшие организмы способны всего к двум;

«границы жизни» у микроорганизмов значительно шире, нежели у высших организмов – они осуществляют свои функ-ции в широких пределах температуры (от –13 °С до +110 °С);

61

еще более важным фактором, влияющим на биогеохими- ческую роль микроорганизмов, является высокая скорость их размножения при возникновении благоприятных условий и достижение ими предельной численности за относительно ко-роткий промежуток времени;

численность микроорганизмов в почве по сравнению с другими природными средами (водой и воздухом) выше на не-сколько порядков – количество бактерий в 1 г почвы достигает нескольких миллиардов клеток, а общая длина гиф грибов рав-няется нескольким тысячам метров на 1 г почвы; суммарная биомасса живых микроорганизмов может составлять несколь-ко десятков тонн на 1 га;

в системе почва – растение именно через микроорганизмы осуществляется круговорот всех зольных элементов и азота, а са-ма система производит более 90 % продуктов питания человека.

4.2. Ðîëü ïî÷âåííûõ ìèêðîîðãàíèçìîâ â êðóãîâîðîòå áèîôèëüíûõ ýëåìåíòîâ â ïðèðîäå

В настоящее время известно не менее 65 элементов перио-дической системы, которые подвергаются микробному воздей-ствию, вызывающему, по образному выражению В.И. Вернад-ского, «вихрь миграции элементов».

Сравнительно хорошо известна микробиологическая транс-формация в почве биофильных элементов (С, Н, О, N, S, Р), входящая в круговорот этих элементов. Высокая скорость их круговорота в почве – причина и одновременно следствие «сгущения» жизни в наземных экосистемах.

Согласно современным взглядам, такой круговорот возник еще в раннем докембрии, задолго до появления высших орга-низмов (эукариот), и происходил без существенных изменений в течение нескольких миллиардов лет исключительно за счет деятельности прокариотных организмов (бактерий).

Как известно, вся совокупность организмов на Земле, как прокариот, так и эукариот, по способу питания делится на две резко различающиеся группы – автотрофов и гетеротрофов.

Именно автотрофы среди других прокариот играют веду-щую роль в круговороте многих элементов в почве. Преимуще-ственно они осуществляют начальные биохимические процес-сы преобразования горных пород и минералов в ходе первично-го почвообразования. Помимо полезной деятельности автотроф-

62

ных прокариот, в некоторых случаях они могут стать причиной и нежелательных последствий, таких, как «занитрачивание» почв, накопление в них токсичного для растений сероводорода (H2S), разрушение каменных и бетонных фундаментов, корро-зия газо- и нефтепроводов, металлических оболочек кабелей и других инженерных сооружений в толще почвы.

Гетеротрофы, в отличие от автотрофов, нуждаются для своего роста в готовых органических соединениях. При этом микроорганизмы-гетеротрофы в отличие от макроорганизмов-гетеротрофов (животных), способны использовать существен-но большее число разнообразных органических соединений. Микроорганизмы-гете рот рофы – главные разрушители (мине-рализаторы) в почве целлюлозы, пектина, лигнина, хитина, га-зообразных, жидких и твердых углеводородов, сложных арома-тических веществ, включая почвенный гумус и т.д. Только дея-тельность почвенных гетеротрофных микроорганизмов замы-кает круговорот углерода, азота, водорода, серы и многих других элементов.

Роль микроорганизмов в цикле углерода демонстрирует ба-ланс СО2 на Земле, согласно которому СО2 атмосферы при полном торможении микробиологической минерализации ор-ганических веществ был бы полностью исчерпан в ходе суще-ствующего фотосинтеза менее чем за 20 лет.

Океан, растворяя карбонатные ионы (CO3, HCO3) и соеди-няя их с ионами кальция, способствует осаждению углерода в виде СаСО3, выключая его таким образом из биологического круговорота. Карбонат кальция недоступен в качестве прямого источника углерода для морских фотосинтезирующих орга-низмов и поэтому образование известняков уменьшает запас углерода, доступного для жизни.

Образование каустобиолитов (углей, горючих сланцев, неф-ти, озокерита и др.), керогена (органических веществ осадоч-ных пород) и гумуса (торфов и почв) – второй путь исключе-ния углерода из малого (биологического) круговорота.

Тем не менее баланс углекислоты в атмосфере не только поддерживается, но и в последнее время постепенно смещает-ся в сторону увеличения ее содержания, что способствует, в частности, усилению «парникового эффекта» на Земле.

Такой сдвиг динамического равновесия в содержании СО2 в атмосфере связывают с увеличением потребления органиче-ского топлива (газа, нефти, угля), деградацией гумуса в резуль-тате осушения торфяников, распашки целинных почв, широ-комасштабного орошения и как одно из следствий обусловлен-ного комплексом причин процесса аридизации суши.

63

Среди сложных соединений углерода в природе, которые подвергаются микробиологической минерализации, в почвах в наибольших масштабах представлены (помимо гумуса) угле-воды (главным образом, целлюлоза), лигнин, а также высоко-молекулярные углеводороды и другие полимеры, причем не только природные, но и синтетические (полиэтилен).

В почве много микроорганизмов, утилизирующих простые соединения углерода разного химического строения: метан и другие низкомолекулярные углеводороды, оксид углерода, метанол, парафины и др. Все микроорганизмы могут исполь-зовать в своем метаболизме диоксид углерода.

В почвах всех типов широко распространены бактерии, об-разующие метан. В результате их деятельности синтезируется 5,3–10,0·108 т метана в год, что составляет более 65 % от об-щей его продукции. Очевидно, что бактерии-метаногены игра-ют основную роль в образовании метана в природных услови-ях и составляют важнейшее звено в анаэробном разложении органических веществ и в общем круговороте углерода. Пола-гают, что сдвиг в динамическом равновесии метана в атмосфе-ре в сторону увеличения обусловлен расширением площадей орошаемых и затопленных почв – рисовников и водохрани-лищ, а также ростом поголовья жвачных животных, в рубце которых образуется до 200 л метана в сутки.

Только микроорганизмы способны выделять и использо-вать молекулярный водород. Активные продуценты молекуляр-ного водорода (анаэробные бактерии) осуществляют брожение разнообразных органических соединений. Кроме них, Н2 вы-деляют бактерии-азотфиксаторы (диазотрофы), широко рас-пространенные в почвах. Содержание водорода в тропосфере Земли составляет 2,2 млрд т, ежегодно в атмосферу поступает около 33 млн т молекулярного водорода, 10–18 % которого образуется микроорганизмами.

Бактерии, окисляющие молекулярный водород (водородные бактерии), в наибольшем количестве представлены в почвах, причем имеются виды, способные и выделять, и потреблять его. Потребление молекулярного водорода микроорганизмами в почвах достигает 120 млн т в год, в значительной степени они поддерживают концентрацию водорода в атмосфере.

Почвенные микроорганизмы (микроскопические грибы и бактерии) переводят труднорастворимые соединения фосфора (апатит, оксиапатит, фторапатит, вивианит, фосфорит), а также разнообразные органические соединения (фитин, нуклеино-вые кислоты, гумусовые вещества) в доступные для высших

64

организмов формы. Растворение неорганических соединений осуществляют многие гетеротрофные бактерии, но наиболее активно этот процесс проводят микоризные грибы.

Круговорот серы в природе осуществляют в основном бак-терии. Соединения серы в почвах представлены сульфатами и сульфидами и в небольших концентрациях тиосульфатом, сульфитом, политионатами и органическими формами. Бак-терии-автотрофы переводят эти соединения в сероводород в ходе бактериальной сульфатредукции, наиболее активно про-текающей при возникновении в почве анаэробных условий. В больших масштабах сульфатредукция идет в рисовниках, в затопленных и болотных почвах. Образующийся сероводо-род редко выделяется из почв, в основном связываясь ионами металлов в сульфиды, придающие почвенным горизонтам чер-ный цвет. В окислительных условиях (при снижении уровня грунтовых вод, осушении болот, спуске воды с рисовых чеков) сульфиды легко окисляются до сульфатов.

Для почв характерен круговорот азота, осуществляемый только микроорганизмами. Главные звенья такого круговорота на Земле – азотфиксация, нитрификация и денитрификация – проводятся в основном почвенными бактериями.

Микробиологическая фиксация молекулярного азота игра-ла главную роль в создании азотного статуса биосферы и в поддержании его в течение нескольких миллиардов лет. Веду-щее положение микробной азотфиксации сохраняется и в на-стоящее время в естественных экосистемах и в агроэкосисте-мах, где используются азотные удобрения.

Ежегодный выпуск минеральных азотных удобрений в мире составляет около 70 млн т. На поля вносится также при-близительно 20 млн т азота в составе органических удобрений. С учетом коэффициента использования азота из этих источни-ков (не более 50 % для минеральных и 20 % для органических) сельскохозяйственные растения получают примерно 40 млн т азота в год. Ежегодный вынос азота из почвы с продукцией сельского хозяйства, по данным ФАО, составляет 120 млн т. Сравнение этих величин приводит к выводу о сохранении ве-дущей роли биологического азота в мировом урожае сельско-хозяйственных растений, где на его долю приходится около 2/3 от общего содержания азота.

Увеличение производства и использования минеральных азотных удобрений в растениеводстве породило широкий круг проблем, из которых наиболее сложными признаются две – экономическая (энергетическая) и экологическая.

65

Экономическая проблема обусловлена тем, что энергоза-траты на производство, транспортировку, хранение и внесение этих удобрений растут значительно быстрее (экспоненциаль-но) по сравнению с увеличением урожаев. Так, повышение урожайности зерновых культур в 2 раза (с 20 до 40 ц/га) тре-бует увеличения суммы энергозатрат в 10 раз, причем около 45 % приходится на синтез и применение азотных удобрений.

Экологическая сторона проблемы высоких доз азотных удобрений обусловлена в первую очередь физиологическими особенностями растений, не способных к единовременному усвоению большого количества азота и запасанию его впрок. Если для некоторых других биофильных элементов (фосфор, углерод) у живой клетки имеются способы резервирования в виде разнообразных запасных питательных веществ, то для азота их нет. Попытки депонировать азот непосредственно в почве за счет внесения медленнодействующих азотных удо-брений пока безуспешны, а регулировать его содержание в прикорневой зоне путем частых подкормок дорого и сложно. Вследствие этого коэффициент использования азота удобре-ний растениями остается низким, значительное его количество попадает в водоемы и в атмосферу, вызывая резкое ухудшение (эвтрофикацию) биологического и химического состояния вод ной среды, усиление «парникового эффекта», разрушение «озонового экрана» планеты.

В последнее время растет интерес к методам земледелия, где обязательным компонентом является «биологический» азот. Это единственный экологически чистый путь снабжения растений азотом, при котором принципиально невозможно за-грязнение природной среды. Микробиологическая фиксация азота осуществляется за счет энергии Солнца, что уменьшает энергозатраты в земледелии. Весьма важным для объяснения сохраняющейся ведущей роли азотфиксации в азотном балан-се почв явилось обнаружение данной способности у многих бактерий, относящихся к самым разным таксономическим и физиологическим группам.

Напомним, что еще недавно способность фиксировать мо-лекулярный азот приписывалась лишь небольшому числу ви-дов высокоспециализированных бактерий, таких, как азотобак-тер, клубеньковые бактерии, клостридии, некоторые бациллы. К настоящему времени азотфиксирующая активность выявлена у представителей практически всех групп бактерий – автотроф-ных и гетеротрофных, споровых и неспоровых, почкующихся и трихомных, мицелиальных, у эубактерий и архебактерий.

66

Поскольку наиболее обильно бактерии представлены в поч-вах, можно сделать принципиальный вывод, что в азотном ба-лансе биосферы ведущая роль принадлежит микробной азот-фиксации в наземных экосистемах.

Сейчас установлено, что в почвах зоны умеренного клима-та при азотфиксации ежегодно связывается не 3–5 кг азота на 1 га, как считалось недавно, а 30–50 кг. В тропической зоне ее продуктивность достигает 100 кг азота на 1 га.

Стали понятны источники азота, поддерживающие азотный баланс так называемых климаксных экосистем (тайга, тундра, луговая степь и пр.), биологическая продуктивность которых остается неизменной в течение длительного времени, но со-провождается постоянными потерями азота в ходе его микро-биологической трансформации.

Применение новых методов привело к существенному рас-ширению знаний по экологии азотфиксации. Одним из важ-нейших достижений явилось обнаружение у всех без исключе-ния растений способности активизировать процесс азотфикса-ции у ассоциированных с ними (на корнях – в ризосфере и на стеблях – в филлосфере) бактерий. Оказалось, что тесное вза-имодействие растений и азотфиксирующих микроорганизмов, ранее хорошо известное только для бобовых растений и клу-беньковых бактерий, характерно для всех растений во всех биоклиматических зонах и обеспечивает не только их автоном-ность в отношении азотного питания, но и является основным механизмом поддержания азотного баланса биосферы Земли.

Нитрификация и денитрификация – два других важнейших звена в круговороте азота в почвах, которые осуществляются только микроорганизмами. Общее свойство разнообразных бактерий и грибов, проводящих эти процессы, – образование в качестве одного из конечных продуктов газообразного соеди-нения – закиси азота. Закись азота – важнейший микрогаз ат-мосферы Земли, ответственный за формирование «парниково-го эффекта» и разрушение «озонового экрана» планеты. За-кись азота обладает значительно большей (примерно в 150 раз, чем диоксид углерода, и в 40 раз, чем метан) экранирующей способностью, а также превосходит их по длительности пре-бывания в атмосфере (около 130 лет). Ежегодное увеличение количества закиси азота составляет 0,2–0,3 %, причем в по-следние годы темпы процесса стали возрастать. Основной вклад в этот процесс вносят микроорганизмы, на долю кото-рых приходится до 90 % от суммарной эмиссии закиси азота.

67

Образование закиси азота в почве обусловлено способностью всех без исключения организмов окислять и восстанавливать атомы азота в составе разнообразных минеральных и органи-ческих соединений. Наиболее известен процесс N-окси-генирования, поскольку он приводит к образованию токсич-ных, мутагенных и канцерогенных продуктов. Одним из про-дуктов N-оксигенирования является закись азота.

Высшие организмы – растения и животные – также способ-ны продуцировать закись азота, но только из ограниченного числа промежуточных продуктов N-оксигенирования, таких, как гидроксиламин, нитраты и нитриты. Известно лишь не-сколько примеров образования закиси азота животными и рас-тениями – каталаза печени и некоторые пероксидазы способны продуцировать ее при редукции нитратов в нитрит.

Микроорганизмы – бактерии и микроскопические грибы, наоборот, могут окислять и восстанавливать все соединения азота, а не только гидроксиламин, нитраты и нитриты. При этом образование закиси азота характерно для исключительно широкой по своему составу группы автотрофных и гетеро-трофных бактерий, а также для многих микромицетов.

При автотрофной нитрификации, осуществляемой высо-коспециализированными бактериями, ионы аммония служат им в качестве энергетического субстрата. Автотрофные нитри-фикаторы проводят процесс в узких экологических границах – при нейтральной реакции среды, хорошей аэрации, отсутствии органических веществ, невысокой концентрации NH4

+ . Таксо-номически это весьма узкая группа, состоящая всего лишь из 12 видов бактерий. Давно предполагали, что роль автотроф-ных нитрификаторов в образовании закиси азота в почвах ограничена. Зная особенности данной группы бактерий, труд-но объяснить их участие в нитрификации в кислых почвах та-ежной зоны, в торфяно-болотных почвах, в красноземах тро-пиков и ряде других почв.

Гетеротрофная нитрификация заключается в соокисле-нии NH4

+ и других соединений азота при минерализации орга-нических веществ (аминный азот аминокислот, гидроксил-амин, гидроксаматы и другие соединения).

В отличие от автотрофной, гетеротрофную нитрификацию осуществляют разнообразные микроорганизмы – прокарио-ты и эукариоты. Масштабы образования закиси азота в поч-вах при автотрофной и гетеротрофной нитрификации пока неизвестны.

68

Денитрификация – окисление органических соединений бактериями при использовании нитратов и нитритов как их ак-цепторов электрона – один из наиболее распространенных в почве процессов. Конечными продуктами его являются газо-образные соединения – закись азота и молекулярный азот.

Ранее считалось, что денитрификаторы – узкая группа вы-сокоспециализированных бактерий. Сейчас известно, что про-цесс денитрификации осуществляет широкий круг прокариот.

Прямые методы определения численности бактерий-де-нитрификаторов подтвердили, что не менее 2/3 бактерий, рас-пространенных в почвах, являются денитрификаторами. Эти данные позволяют полагать, что в почве постоянно в большом количестве присутствуют денитрификаторы и азотфиксаторы. Эффективность их действия определяется многочисленными взаимодействующими между собой факторами, но наиболее ак-тивно их деятельность протекает в ризосфере растений.

Прикорневая зона растений – одна из экологических ниш, где образование N2О протекает наиболее интенсивно. В ри-зосфере ячменя потери нитратного азота в виде N2О дости-гают 90 %, тогда как в парующей почве они составляют 5 %. В ризосфере растений риса образование закиси азота проте-кало в 14 раз интенсивнее, чем в почве без растений.

В природе N2О постоянно поглощается. Известно несколь-ко процессов восстановления закиси азота до молекулярного азота – химические реакции в стратосфере («стратосферный сток») и микробиологическая трансформация в почве («тропо-сферный сток»).

Химические реакции N2О со стратосферным озоном (О3) приводят к разрушению «озонового экрана» Земли. Однако поглощение закиси азота в стратосфере идет очень медленно. Поэтому основным стоком для N2О, что признается всеми ис-следователями, является почва. Известно несколько микробио-логических процессов, в ходе которых восстанавливается за-кись азота; среди них наибольшее значение имеют два – дени-трификация и азотфиксация.

В неполной цепи нитратного дыхания денитрификация за-канчивается образованием N2О. Полная цепь, когда N2О вос-станавливается до молекулярного азота (процесс денитрифи-кации идет до конца), обнаружена у ограниченного числа ми-кроорганизмов, «истинных» денитрификаторов. Один и тот же микроорганизм в разных условиях может осуществлять пол-ный или укороченный цикл нитратного дыхания.

69

Нитрогеназа – фермент азотфиксирующих бактерий, вос-станавливает N2О до молекулярного азота. Но вклад азотфик-сации в сток закиси азота в почвах пока не изучен.

Таким образом, основную роль в тропосферном стоке за-киси азота играет прокариотное население почв. Между поч-вами разных типов существуют большие различия по способ-ности служить стоком для закиси азота. Причины таких раз-личий еще не изучены, хотя не приходится сомневаться, что они обусловлены действием каких-то микробиологических (биохимических) механизмов. Исследования последних лет показали большой эффект такого фактора, как засоление почв. Основной микробиологический процесс трансформации N2О – денитрификация, имеет в засоленных почвах ряд существен-ных особенностей, среди которых одно из главных – торможе-ние ее на стадии образования N2О. На образцах солончаковых почв Приаралья было показано, что причиной торможения де-нитрификации на стадии образования N2О является повышен-ная чувствительность к присутствию солей редуктазы – фер-мента, ответственного за восстановление N2О. Доказательства такого механизма образования N2О были получены при искус-ственном засолении незасоленных почв (черноземы, кашта-новые и серые лесные) – во всех испытанных почвах соли (сульфаты, хлориды) приводили к преобладанию N2О в конеч-ных продуктах денитрификации.

Эти данные указывают на особую (возможно, ведущую) роль засоленных почв в образовании N2О в глобальных мас-штабах. Как известно, более 35 % земель мира подвержены опустыниванию и засолению. Причиной быстрого увеличения ареала засоленных почв называют комплекс факторов, обу-словленных глобальным изменением климата планеты и не-умелой хозяйственной деятельностью человека, приводящей ко вторичному засолению. Возможно, торможение денитрифи-кации в почвах засоленного ряда на стадии образования N2О с учетом быстрого увеличения их площади – одна из причин наблюдаемого увеличения концентрации N2О в атмосфере.

4.3. Ðîëü ìèêðîîðãàíèçìîâ â òðàíñôîðìàöèèäðóãèõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ

Как уже отмечалось, из 105 химических элементов не ме-нее 65 подвергаются микробиологической трансформации. Выделены микроорганизмы, осуществляющие эти превраще-

70

ния. Ведутся поиски новых микроорганизмов, способных к биогенной трансформации других элементов. Если из остав-шихся 40 элементов отбросить 6 инертных газов и 17 искус-ственно полученных элементов, не встречающихся на Земле, остается 17 элементов, микробиологическая трансформация которых теоретически возможна. Считается, что такие микро-организмы в природе есть. Известна присущая всем организ-мам способность к биогенной трансформации так называемых микроэлементов – Mo, Zn, Co, Fe, Сu, В и др.

В литературе накоплен обширный экспериментальный ма-териал о микробиологической трансформации в природных средах многих других элементов, которые не используются в метаболизме живой клетки. В их числе Hg, Cd, Сu, V, Мn, Bi, Al, Ag, Au, Li, U и др. Подробно изучены микробиологические превращения As, Se, Sb и т.д.

Микроорганизмы, участвующие в этих процессах, все шире используются в биотехнологии при выщелачивании и осажде-нии из природных субстратов разных элементов.

Ртуть в почвах микробиологически трансформируется с образованием метилированных (алкилированных) произ-водных – метил- и диметилртути. Способностью к метили-рованию обладают практически все микроорганизмы – бакте-рии и грибы, и, следовательно, процесс может протекать в лю-бых почвах при попадании в них ртути или ее производных. Наиболее активен он в аэробных условиях, при нейтральной реакции среды и повышенной температуре.

Метилртуть – значительно более токсичное и одновремен-но более летучее соединение, чем другие формы ртути. Ка-жется невероятным, что в присутствии ртути микроорганиз-мы могут продуцировать еще более токсичное ее произво-дное. Экспериментально подтверждено, что метилртуть для образующих ее организмов более токсична, чем неорганиче-ская ртуть. Объяснение этому феномену находят в повышен-ной летучести метилированных соединений ртути, и с точки зрения биологической целесообразности продуцирование ме-тилртути можно оценить как способ нейтрализации токсиче-ских солей ртути для микроорганизмов, которая удаляется из места ее образования.

Мышьяк, также как и ртуть, подвергается метилированию почвенными микроорганизмами. Однако соединения ртути, в отличие от мышьякорганических соединений (метил- и диме-тиларсин, метиларсиновая и диметиларсиновая кислоты),

71

в 25 раз менее токсичны, чем трехвалентный мышьяк, и по-этому метилирование мышьяка – биологическое приспособле-ние для детоксикации данного элемента. Метилируют мышьяк в основном почвенные микроскопические грибы, у бактерий – подчиненная роль. Процесс активен в аэробных условиях в нейтральных средах.

В наибольших масштабах в почвах микробиологически трансформируются соединения железа. Железо, как и марга-нец, – важнейший элемент в почве. Оба элемента имеют пере-менную валентность, что во многом определяет их огромную роль в биогеохимических превращениях в почве. В зависимо-сти от условий железо в почве находится в оксидной или за-кисной (восстановленной) форме.

Основные минералы, в которых железо представлено в по-чве в оксидной форме, – гётит Fe(OH)O, ферригидрит Fe2О3 × × Н2О, гематит Fe2О3, магнетит FeCО3.

Восстановление соединений Fe и Мn гетеротрофными ми-кроорганизмами широко распространено в природе. Но наи-более характерен этот процесс для почв, в которых при смене окислительных условий на восстановительные протекает глее-образование, придающее почвенным горизонтам характерный голубовато-зеленый цвет.

B закисной (восстановленной) форме Fe присутствует в по-чве в составе сидерита FeCO3, сульфидов FeS2, FeS, силикатов FeO · A12О3 · SiО2 · Н2О. Восстановленные формы Fe сравни-тельно хорошо растворимы. В окислительной среде они под-вергаются химическому и микробиологическому окислению с образованием нерастворимых оксидных соединений.

Восстанавливать Fe способны разные микроорганизмы, причем не только анаэробные, но и факультативно-анаэробные и аэробные. Осуществляемое повсеместно в почве восстанов-ление железа важно для всех организмов, поскольку именно двухвалентное железо входит в состав многих металлофер-ментов (цитохромов, каталазы и др.), ответственных за глав-ные биохимические функции живой клетки.

4.4. Ìèêðîáèîëîãè÷åñêîå ðàçðóøåíèå ãîðíûõ ïîðîäè ìèíåðàëîâ

Исследования В.И. Вернадского, Б.Б. Полынова и их после-дователей убедительно раскрыли значение биологических факторов в протекающем на поверхности земной коры про-

72

цессе выветривания горных пород. Как известно, интенсив-ность выщелачивания химических элементов из горных пород и минералов неравномерна и зависит от свойств элементов.

Согласно накопленным к настоящему времени данным, био-логические процессы по масштабности и глубине осуществля-емых реакций занимают ведущее положение в процессах вы-ветривания – превращениях элементов в земной коре, в разру-шении первичных минералов и горных пород. Многочислен-ные исследования в самых разных регионах Земли показали, что в естественных условиях все горные породы и минералы (причем не только на поверхности Земли, но и на значительной (до нескольких километров), глубине, в под поверхностных сло-ях населены разнообразными микроорганизмами, которые при возникновении благоприятных условий разрушают их с выще-лачиванием отдельных элементов.

Разрушение горных пород и минералов может идти под влиянием как прямого, так и косвенного воздействия микро-организмов и продуктов их жизнедеятельности. Известно не-сколько механизмов такого воздействия – непосредственное окисление переменно-валентных элементов, действие биоген-ных кислот и щелочей, хелатообразование и биосорбция.

Переменно-валентные элементы, которые находятся в ми-нералах и горных породах в восстановленном состоянии, спо-собны служить источником энергии для автотрофных бакте-рий, переходя в окисленную форму. Среди различных групп минералов эти бактерии наиболее легко окисляют сульфиды. В результате окислительной деятельности бактерий двухва-лентная сера сульфидов переходит в шестивалентную форму сульфатов, из которых затем возникают разнообразные вто-ричные сульфатные минералы, характерные для многих почв.

Кроме серы, источником энергии для автотрофных бакте-рий служат Fe, Mn, Sb, Cu, Mo, U и некоторые другие элемен-ты. В процессе биологического выветривания содержащие данные элементы минералы разрушаются, превращаясь в иные минералы, присутствующие в почве.

Кислотность (щелочность) определяется органическими и минеральными кислотами и щелочами биологического про-исхождения и также является одним из ведущих факторов пре-образования минералов и первичного почвообразования. Спо-собностью к продуцированию кислот и щелочей обладают все микроорганизмы, но наиболее активны автотрофные бактерии

73

и микроскопические грибы. Автотрофные бактерии-нитри-фикаторы образуют азотную и азотистую кислоты, серные бактерии – серную и сернистую кислоты.

Многие бактерии выделяют сероводород, а микро орга-низмы-аммо нификаторы образуют аммиак, которые выступа-ют в роли активных геохимических агентов. Микроскопиче-ские грибы продуцируют органические кислоты: уксусную, щавелевую, янтарную, лимонную и другие, под действием ко-торых разрушаются горные породы и минералы. Микроскопи-ческие грибы – один из основных компонентов лишайников-пионеров при заселении горных пород.

В биологическом выветривании важно хелатообразование. Металлоорганические комплексы образуются и действуют од-новременно с биогенными кислотами, щелочами и другими микробными метаболитами. Считается, что хелатообразова-ние является основным механизмом деградации горных пород и минералов при развитии гетеротрофных микроорганизмов.

Биосорбция – еще один путь воздействия микроорганизмов на химические элементы в природных средах, что отмечал еще В.И. Вернадский. Многие бактерии и микроскопические гри-бы накапливают различные элементы в своей биомассе, кон-центрируют элементы в местах массового развития или скоп-ления этих организмов. В основе биосорбции лежит взаимо-действие химических элементов с поверхностными структура-ми клеток микроорганизмов, микробными метаболитами. Биосорбция некоторых металлов (Au, U, Сu, Cd) микроорга-низмами применяется в современной биогеотехнологии. Уста-новлено активное участие микроорганизмов в деградации (вы-ветривании) минералов всех основных групп – силикатов и алюмосиликатов, сульфидов и их аналогов, арсенатов и их аналогов, оксидов и гидроксидов.

Разные микроорганизмы, относящиеся к различным систе-матическим группам, участвуют также в деградации основных алюмосиликатов, способствуя выносу катионов металлов и разрушению силоксанной и алюмокислородной связи, лежа-щих в основе их кристаллической структуры. При этом один из главных механизмов действия микроорганизмов – окисле-ние ими элементов с переменной валентностью, входящих в состав силикатных горных пород и минералов.

Окисление или восстановление элементов с переменной валентностью могут осуществляться как автотрофными, так и гетеротрофными микроорганизмами. Усиление микробиоло-

гической активности в почве давно используется человеком в сельском хозяйстве: большинство агротехнических приемов (вспашка, внесение органических удобрений и пр.) направле-но на повышение скорости биологического круговорота хими-ческих элементов и увеличение их доступности сельскохозяй-ственным растениям. Осушение торфяников, компостирование, силосование кормов и прочее также способствуют ускорению микробиологического использования химических элементов.

Ускоренная микробиологическая трансформация разно-образных веществ в очистных сооружениях за счет активиза-ции естественных популяций микроорганизмов – еще одно ис-пользование активности микроорганизмов.

Такие же примеры усиления деятельности природных по-пуляций микроорганизмов известны и в геологической микро-биологии – при выщелачивании металлов, активизации микро-биологической деятельности в нефтяных пластах с целью уве-личения их нефтеотдачи и пр.

75

Ãëàâà 5

ÍÎÐÌÈÐÎÂÀÍÈÅ ÑÎÄÅÐÆÀÍÈß ÕÈÌÈ×ÅÑÊÈÕ ÝËÅÌÅÍÒΠ ÏÎ×ÂÅ È ÇÀÙÈÒÀ ÅÅ ÎÒ ÇÀÃÐßÇÍÅÍÈß

5.1. Ñàíèòàðíî-ãèãèåíè÷åñêîå íîðìèðîâàíèå

В основе санитарно-гигиенического нормирования лежат предельно допустимые концентрации (ПДК) веществ (эле-ментов), характеризующие такое количество вредных ве-ществ в среде, которое практически не влияет на здоровье человека и благополучие его потомства. Используют также предельно допустимый выброс (ПДВ).

Санитарно-гигиеническое нормирование учитывает четы-ре основных показателя: транслокационный (переход загряз-няющих веществ из почвы в растение через корневую систе-му), миграционно-воздушный (переход загрязняющих ве-ществ в воздух), миграционно-водный (переход загрязняю-щих веществ в воду), общесанитарный (влияние загрязняющих веществ на самоочищающую способность почвы и ее биоло-гическую активность).

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

Миграция загрязняющих веществ в системе почва – расте-ние определяется несколькими факторами; основной из них – миграционная способность токсиканта и отношение к нему растения. Миграция загрязняющих веществ в почве зависит от их вида, особенностей почвенного покрова (гумусирован-ность, гранулометрический состав и пр.), типа водного режи-ма, температурного фактора. Например, свинец в почве менее подвижен, чем кадмий. Комплексы свинца с гуминовыми кис-лотами почти в 150 раз прочнее, чем аналогичные комплексы кадмия. Свинец и ртуть мигрируют на незначительную глуби-ну (примерно до 10 см); проникновение же в почву кадмия, меди и цинка выражено сильнее (они мигрируют на глубину до 30 см).

76

Аналогичные результаты получены и в других исследова-ниях: 57–74 % свинца и ртути при антропогенном загрязнении закрепляется в слое 0–10 см и только 3–8 % мигрирует на глу-бину 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 увеличи-ваться в 500–600 раз, что свидетельствует о больших защит-ных (буферных) возможностях этого подземного органа.

Среди травянистых растений наибольшая устойчивость от-мечается у следующих семейств: Gramincae (Злаковые), Fa-baceae (Бобовые), Chenopo-diaceae (Маревые). Например, вы-сокие концентрации Рb выдерживает ежа сборная. По чувстви-тельности к Cd и способности накапливать его растения рас-полагаются (по восходящему ряду) следующим образом: томаты – овес – салат – луговые травы – морковь – редька – фасоль – горох – шпинат.

Известно, что различные грибы концентрируют Hg, Se, Cd, Cu, Zn в больших количествах.

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

Трудности обоснованной оценки почвенно-экологического состояния территории – одна из причин различного уровня фи-тотоксичности 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 нор-мирование не только по общему содержанию загрязняющих веществ, но и по концентрации их подвижных форм.

Степень прочности связи токсиканта в почве, т.е. его по-движность, зависит от почвенно-экологических факторов. Решая задачи нормирования, в первую очередь следует учи-тывать гумусовое состояние почв, поскольку почвы разного генетического типа заметно различаются по сорбционной способности.

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

77

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

С учетом принятых ПДК загрязняющих веществ разработа-на схема оценки почв сельскохозяйственного назначения. Эта схема предусматривает четыре категории оценки. Наименьшее антропогенное воздействие (допустимое загрязнение) относит-ся к I категории; наибольшее – к IV категории. В зависимости от категории оценки следует использовать почвы и осущест-влять необходимые мероприятия для их оздоровления. При нормировании нужно также принимать во внимание синерги-ческий и антагонистический характер взаимовлияния многих соединений. Например, при нитратном загрязнении присут-ствие серы уменьшает риск онкологических заболеваний, тогда как наличие кадмия и пестицидов существенно увеличивает эту опасность. Между тем система критериев на основе ПДК не учитывает взаимовлияний. Кроме того, в процессе превращения загрязняющих веществ в почве могут образовываться более токсичные, чем исходные, соединения, что также не учитывает-ся при оценках на основе существующих ПДК. Из-за множества почвенно-экологических факторов, влияющих на поведение токсикантов, единых ПДК для различных регионов быть не мо-жет, поэтому существующие нормативы не отражают в доста-точной степени «здоровья» земли. Необходим поиск более про-стых и результативных способов соответствующих оценок. В частности, перспективна разработка интегральных показате-лей, более полно учитывающих биологическую составляющую, а также самостоятельных биологических критериев.

5.2. Ýêîëîãè÷åñêîå íîðìèðîâàíèå

В основу экологического нормирования положено изучение действия загрязняющих веществ не на отдельные организмы, а на систему в целом. В данном случае предполагается получе-ние оптимальной биопродуктивности при минимальном воз-действии на окружающую природную среду. В качестве кри-

78

терия воздействия предусматривается использовать показатель предельно допустимой экологической нагрузки (ПДЭН), т.е. такой уровень нагрузки, при котором сохраняется нормальное функционирование экосистемы.

Нормальное функционирование экосистем в условиях за-грязнения предполагает в первую очередь сохранение систем биотрансформации и детоксикации. В качестве оценочных при этом используют следующие показатели: самоочищающую способность почвы, степень концентрирования химического элемента в растении (коэффициент биологического поглоще-ния – КБП), показатель содержания токсиканта в почве и коэф-фициент концентрации Kс, 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 продук-тивность биогеоценозов, агро- и урбаноценозов с учетом опти-мального для данной территории состава растительного и жи-вотного мира.

В табл. 5.1 представлена шкала экологического нормиро-вания содержания тяжелых металлов с учетом генетического типа почв.

Таблица 5.1. Шкала экологического нормирования содержания тяжелых металло, мг/кг, для геохимической ассоциации почв со слабокислой

и кислой реакцией (Обухов, Ефремова, 1991)

Градация Pb Cd Zn Cu Ni Hg

Уровень содержания

Очень низкий <5 <0,05 <15 <5 <10 <0,05Низкий 5–10 0,05–0,10 15–30 5–15 10–20 0,05–0,10Средний 10–35 0,10–0,25 30–70 15–50 20–50 0,10–0,25Повышенный 35–70 0,25–0,50 70–100 50–80 50–70 0,25–0,50Высокий 70–100 0,50–1,00 100–150 80–100 70–100 0,50–1,0Очень высокий 100–150 1–2 150–200 100–150 100–150 1–2

Уровень загрязнения (ПДК)

Низкий 100–150 1–2 150–200 100–150 100–150 1–2Средний 150–500 2–5 200–1000 150–250 150–300 2–5Высокий 500–1000 5–10 500–1000 250–500 300–600 5–10Очень высокий >1000 >10 >1000 >500 >600 >10

79

Таблица 5.2. Критерии экологической оценки состояния почв

Показатель Экологическое бедствие

Чрезвычайная экологическая ситуация

Удовлетворительная ситуация

1 2 3 4

Площадь выведенных из сельскохозяйственного оборота земель вслед-ствие их деградации, от процента общей площади сельхозугодий

>50 30–50 До 5

Уничтожение гумусового горизонта А+В А (А) До 0,1 А

Перекрытость поверхности почвы абиотическими наносомами, см >20 10–20 Отсутствие

Увеличение плотности почвы по отношению к равновесной, % Более чем на 40 На 30–40 До 10

Превышение уровня грунтовых вод, проценты от критического зна-чения

>50 25–50 Допустимый уро-вень

Радиоактивное загрязнение, Ки/км:цезий-137стронций-90плутоний (сумма изотопов)

>40>3

>0,1

15–401–3>0,1

До 1До 0,3

–

Мощность экспозиционной дозы на уровне 1 м от поверхности поч-вы, мкР/ч

>400 200–400 До 20

Потери гумуса в пахотных почвах за 10 лет (относительные), % >25 10–25 <1

Увеличение содержания легкорастворимых солей, г/100 г почвы >0,8 0,4–0,8 До 0,1

Увеличение доли обменного натрия, проценты от емкости катионного обмена

>25 15–25 До 5

80 Окончание табл. 5.2

1 2 3 4

Превышение ПДК химических веществ:I класса опасности (включая бенз(а)пирен, диоксины)II класса опасностиIII класса опасности (включая нефть и нефтепродукты)

Более чем в 3 разаБолее чем в 10 разБолее чем в 20 раз

В 2–3 разаВ 5–10 разВ 10–20 раз

Превышения нет>>>>

Суммарный показатель химического загрязнения (Zс) >128 32–128 <16

Снижение уровня активной микробной массы Более чем в 100 раз В 50–1000 раз До 5 раз

Фитотоксичность почвы (снижение числа проростков), проценты к фону >200 140–200 До 110

Дополнительные показатели

Доля загрязненной основной сельскохозяйственной продукции, от процентов проверенной

>50 25–30 До 5

Число яиц гельминтов в 1 кг почвы >100 10–100 Отсутствие

Число патогенных микроорганизмов в 1 кг почвы >10 10–10 <10

Колититр (для почвы – наименьшая масса почвы в г, в которой содер-жится 1 кишечная палочка)

<0,001 0,01–0,001 >1,0

Генотоксичность почвы (рост числа мутаций по сравнению с контро-лем), число раз

>1000 100–1000 <2

81

Разработаны критерии физической деградации, химическо-го и биологического загрязнений, которые целесообразно ис-пользовать при экологическом нормировании (табл. 5.2).

Этот перечень критериев требуется дополнить другими по-казателями. Особое место среди них принадлежит биологиче-ским показателям – наиболее чувствительным к изменениям окружающей природной среды.

При использовании для экологического нормирования ми-кробиологических критериев в условиях повышенного уплот-нения почв, загрязнения легкосуглинистых и супесчаных дерново-подзолистых почв токсичными тяжелыми металлами и продуктами разложения пестицидов получены следующие результаты (табл. 5.3).

Таблица 5.3. Оценка состояния экосистем

Степень устойчи-вости

экосисте-мы

Микробиологические критерии

Содержание стерильных актиномице-

тов, %

Наличие актиномице-тов группы

Niger, %

Число видов бацилл

Содержание фитопатоген-ных грибов, %

Уменьшение микробной биомассы, %

Высокая Отсутствуют Отсутствуют 7–8 Отсутствуют Отсутствуют

Средняя 35–40 >> Не опре-деляли

>> Не отмечено

Слабая 52–50 >50 3 18–20 20–50

Экосистемы, отличающиеся высокой и средней степенью устойчивости, характеризуются значительным видовым разно-образием бацилл, отсутствием черноокрашенных актиномице-тов группы Niger и фитопатогенных грибов, уравновешенным количеством микробной биомассы. Нарушение устойчивости диагностируется увеличением стерильных форм актиномице-тов, появлением значительного количества черно окрашенных микроорганизмов данной группы (группа Niger) (более 50 %), уменьшением видового разнообразия бацилл.

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

82

5.3. Õèìè÷åñêàÿ ìåëèîðàöèÿ ïî÷â

Для ликвидации последствий загрязнения почв тяжелыми металлами важное значение имеют предупредительные меры, которые базируются на совершенствовании технологий произ-водства, в том числе агрохимикатов. Хорошо очищенные от-ходы химической и машиностроительной промышленности после обогащения фосфором (до 100 г/кг отходов) представля-ют большую ценность для сельского хозяйства.

Для очистки сточных вод, применяемых в качестве удобре-ний, используют различные вещества: известняк, ионообмен-ные смолы, синтетические сорбенты. Эффективными методами являются обратный осмос, вымораживание, электролиз. Заслу-живает внимания способность многих микроорганизмов кон-центрировать некоторые металлы, что позволяет получать медь, уран и т.д. микробиологическим путем и тем самым очищать сточные воды от присутствия тяжелых металлов.

Для ликвидации уже существующего загрязнения приме-няют материалы, связывающие тяжелые металлы в недоступ-ные для растений формы (органические и минеральные удо-брения, известь, цеолиты, синтетические смолы и др.). Реко-мендуют также возделывать культуры, толерантные к загряз-нению или используемые на технические цели.

Для сильнозагрязненных территорий практикуют удаление загрязненного слоя с последующим извлечением тяжелых ме-таллов путем перевода их соединений в подвижную форму и дальнейшего вымывания раствором FeCl3 в кислой среде. Вне-сение в почву солей железа способствует улучшению ее физи-ческого состояния: происходит агрегирование почв за счет склеивающего эффекта железогуматных комплексов. По за-вершении очистки проводят комплексное окультуривание по-чвы: известкование, внесение органических и минеральных удобрений, компенсирующих потери биогенных элементов при промывке.

Менее дорогой прием рекультивации почв – внесение веществ-инактиваторов. В некоторых странах (Великобрита-ния, Германия, Франция, Япония) для этого используют меркапто-8-триазин. При этом кадмий, свинец, ртуть и никель прочно фиксируются в почве в нерастворимом и недоступном для растений виде. Элементы питания – кальций, магний, ка-лий и другие – в данном случае не закрепляются. Недостатки этого приема – ограниченная емкость и инактивирующая спо-собность веществ-инактиваторов.

83

В Германии нашли применение ионообменные смолы, об-разующие с металлами хелатные соединения, обладающие вы-сокой прочностью связи. Их используют в кислотной или со-левой форме, внося в почву в виде порошка или гранул в до-зах, определяемых уровнем загрязнения. Так, натриевая форма катионита сорбировала около 95 % свинца.

В основе химической мелиорации лежит также перевод тя-желых металлов в недоступное состояние, главным образом изменением реакции среды. В гумидных регионах с избыточ-ным увлажнением это достигается с помощью известкования. Защитное действие извести проявляется в результате замены водорода в почвенном поглощающем комплексе (ППК) на кальций. При этом происходят нейтрализация среды и образо-вание коллоидов гидроксидов тяжелых металлов, находящих-ся в почвенном растворе. Одновременно активизируется дея-тельность бактериальной микрофлоры, существенно возраста-ет биомасса микроорганизмов, часть которых может аккуму-лировать металлы. Если процесс биологической аккумуляции активнее процесса минерализации органического вещества, то наблюдается снижение подвижности тяжелых металлов, кото-рые закрепляются в составе ППК.

Наибольший эффект проявляется от совместного внесения извести и минеральных удобрений, так как последние компен-сируют отрицательное воздействие избытка тяжелых метал-лов, а известкование приводит к образованию менее подвиж-ных соединений металлов (карбонатов, фосфатов, гидрокси-дов) и, как следствие, к значительному уменьшению содержа-ния данных элементов в растениях.

Важное место в детоксикации отводится органическим удо-брениям, которые также снижают подвижность тяжелых метал-лов вследствие образования органоминеральных соединений, обладающих низкой растворимостью. Однако при этом необхо-димо учитывать степень разложения органического вещества. Внесение в почву неразложившейся и слаборазложившейся со-ломы при рН 8 повышало подвижность тяжелых металлов.

Для снижения фитотоксичности тяжелых металлов можно использовать природные цеолиты, которые являются не только хорошими сорбентами, но и источниками элементов питания, а также веществами, улучшающими структуру почвы. Широко распространенный цеолит-клиноптиллолит фиксирует свинец в 5–10 раз активнее, чем почва.

84

Для снижения опасности загрязнения почв тяжелыми метал-лами важно применять агрономические средства защиты (под-бор сельскохозяйственных культур, использование различных частей растений с учетом неодинаковой способности их к нако-плению металлов и др.). Так, по степени устойчивости к токсич-ному действию тяжелых металлов растения можно расположить в порядке убывания: травы – злаковые – зерновые – картофель – сахарная свекла. При одинаковом содержании свинца в почве (1000 мг/кг) картофель и томаты незначительно накапливали этот элемент, а морковь и редис аккумулировали его в количе-ствах, в 1,5–2 раза превышающих ПДК. Различия в поглощении кадмия у разных гибридов кукурузы достигали 13–18 раз. Осо-бенно нежелательно возделывать на загрязненных территориях овощные листовые культуры – салат, шпинат, лук, щавель и т.п. Нельзя использовать загрязненные почвы для выращивания кор-мов, так как скоту скармливают те части растений и в той фазе, когда в них накапливается особенно много металлов.

Уровень почвенного плодородия и «здоровье» земли во многом зависят от состояния живых компонентов почвы. Зна-ние законов функционирования почвенной биоты, учет осо-бенностей поведения различных ингредиентов имеют перво-степенное значение для создания продуктивных, устойчивых агроэкосистем, что будет способствовать выращиванию эколо-гически безопасной сельскохозяйственной продукции и мини-мизации загрязнения окружающей природной среды.

5.4. Îöåíêà çàãðÿçíåíèÿ ïî÷â

Степень загрязнения почв можно оценивать на основе уче-та ПДК химических веществ (табл. 5.4).

Таблица 5.4. Предельно допустимые концентрации химических веществ в почвах и допустимые уровни их содержания по показателям

вредности (Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами, 1987)

Вещество

ПДК,мг/кг почвыс учетом фона

Показатели вредностиТранслока-ционный (накопле-ние в

растениях)

Миграционный

Общесани-тарныйводный

воз-душ-ный

1 2 3 4 5 6Подвижные формы

Медь 3,0 3,5 72,0 – 3,0

85

Продолжение табл. 5.4

1 2 3 4 5 6

Никель 4,0 6,7 14,0 – 4,0Цинк 23,0 23,0 200,0 – 37,0Кобальт 5,0 25,0 Более 1000 – 5,0Фтор 2,8 2,8 – – –Хром 6,0 – – – 6,0

Водорастворимые формы

Фтор 10,0 10,0 10,0 – 25,0

Валовое содержание

Сурьма 4,5 4,5 4,5 – 50,0Марганец 1500,0 3500,0 1500,0 – 50,0Ванадий 150,0 170,0 350,0 – 150,0Марганец ++ ва на дий

1000,0 ++ 100,0

1500,0 ++ 150,0

2000,0 ++ 200,0

– 1000,0 ++ 100,0

Свинец 30,0 35,0 260,0 – 30,0Мышьяк 2,0 20,0 15,0 – 10,0Ртуть 2,1 2,1 33,3 2,5 5,0Свинец + ртуть 20,0 + 1,0 20,0 + 1,0 30,0 + 2,0 – 30,0 + 2,0Медь 55* – – – –Никель 85* – – – –Цинк 100* – – – –Хлорид калия 560,0 100,0 560,0 1000,0 5000,0Нитраты 130,0 180,0 130,0 – 225,0Бенз(а)пирен 0,02 0,2 0,5 – 0,02Бензол 0,3 3,0 10,0 0,3 50,0Толуол 0,3 0,3 100,0 0,3 50,0Изопропилбен-зол

0,5 3,0 100,0 0,5 50,0

Стирол 0,1 0,3 100,0 0,1 1,0Ксилолы (орто-, мета-, пара-)

0,3 0,3 100,0 0,4 1,0

Сернистые со-е динения:сероводород элементарная серасерная кис-лота

0,4160,0

160,0

160,0180,0

180,0

140,0380,0

380,0

0,4–

–

160,0160,0

160,0

Отходы флота-ции угля

3000,0 9000,0 3000,0 6000,0 3000,0

86

Окончание табл. 5.4

1 2 3 4 5 6

Комплексные гранулирован-ные удобрения

120,0 800,0 120,0 800,0 800,0

Жидкие ком-плексные удо-брения

80,0 Более 800,0 80,0 Более 800,0 800,0

* Ориентировочные ПДК.

Фоновое содержание химического вещества в почве – содер-жание, соответствующее ее природному химическому составу.

Транслокация загрязняющего почву химического веще-ства – переход вещества из почвы в растения.

При валовом содержании загрязняющих веществ в почве, превышающем его ПДК, определяют подвижную форму этого загрязняющего вещества.

При определении загрязнения почвы металлами, для кото-рых отсутствует ПДК, сравнивают уровни загрязнения с фоно-вым уровнем. При оценке почв с учетом степени экологиче-ского неблагополучия учитывают физическую деградацию, химическое и биологическое загрязнения. При этом состояние территории оценивают согласно классификации степени эко-логического неблагополучия: относительно удовлетвори-тельное, напряженное, критическое, кризисное (зона чрезвы-чайной экологической ситуации), катастрофическое (зона экологического бедствия).

Оценку почв можно проводить также с учетом интенсив-ности и характера загрязнений. В данном случае загрязнение почвы может иметь четыре уровня (категории): допустимое, умеренно опасное, высоко опасное, чрезвычайно опасное.

В зависимости от категории почв по степени загрязнения предъявляют иск предприятиям, учреждениям, организациям. Размеры ущерба предлагают определять путем использования утвержденных соответствующими постановлениями нормати-вов 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 которой исключается возможность использования почв в сельскохозяйственном производстве.

Для III категории загрязнения почв (высоко опасное загряз-нение) размеры ущерба рекомендуется определять в объеме около 50 % нормативов стоимости, поскольку содержание ток-сичных веществ в почвах по большинству показателей превы-шает ПДК, а следовательно, использование таких почв огра-ничено (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) раз-меры ущерба составляют 25 % нормативов стоимости с учетом высокого содержания токсичных веществ в почвах и существу-ющей опасности получения «экологически грязных» продуктов питания и кормов для животноводства, а также необходимости затрат на постоянный аналитический контроль за их качеством и содержанием опасных веществ в зоне пребывания рабочих, почвах и подземных водах, затрат на выполнение работ по огра-ничению поступления токсикантов из почвы в растения.

88

Ãëàâà 6

ÝÊÎËÎÃÈ×ÅÑÊÈÅ ÏÐÎÁËÅÌÛ ÏÐÈÌÅÍÅÍÈß ÕÈÌÈ×ÅÑÊÈÕ ÑÐÅÄÑÒ ÇÀÙÈÒÛ ÐÀÑÒÅÍÈÉ

 ÀÃÐÎÝÊÎÑÈÑÒÅÌÀÕ

6.1. Êëàññèôèêàöèÿ ïåñòèöèäîâ ïî èõ öåëåâîìó íàçíà÷åíèþè óñòîé÷èâîñòè ê ðàçëîæåíèþ

Уже более 100 лет химические средства защиты растений играют важную роль в борьбе с возбудителями болезней, насекомыми-вредителями и сорной растительностью. Наи-большее распространение этот способ борьбы получил после Второй мировой войны. Необходимость такой борьбы доста-точно очевидна, если учесть, что потери урожая, как свиде-тельствуют данные, представленные в табл. 6.1, составляют в настоящее время от 23,9 до 46,4 %.

Таблица 6.1. Потери урожая сельскохозяйственных культурв мировом земледелии (Соколов и др., 1994)

КультураПотери урожая, %,

от вредителей от болезней от сорняков Итого

Пшеница 5,0 9,1 9,8 23,9

Кукуруза 12,4 9,4 13,0 34,8Просо, сорго 9,6 10,6 17,8 38,0Рис 26,7 8,9 10,8 46,4Хлопчатник 11,0 9,1 4,5 24,6Соя 4,5 11,1 13,5 29,1Картофель 6,5 21,8 4,0 32,3Томаты 7,5 11,6 5,4 24,5

По оценкам ФАО (1989), каждый год от насекомых-вредителей, болезней растений и сорняков мировое сельское хозяйство несет убытки в 75 млрд дол. Потенциальные потери урожая в России достигают 71,3 млн т зерновых единиц. При этом на долю возбудителей болезней приходится 45,1 % потенциальных потерь, сорных растений – 31,4 % (без учета затрат на механические способы борьбы) и вредителей расте-ний – 23,5 %.

89

В США в 1900 г. один среднестатистический фермер обеспе-чивал продуктами питания 7 человек, в 1970 г. – 46, а в 1980 г. – 55 (причем в последние 10 лет рост этого показателя был обу-словлен исключительно применением химических средств за-щиты растений – ХСЗР). Подсчитано, что если в США прекра-тить применение ХСЗР, то для сохранения валового сбора зерна на прежнем уровне потребуется дополнительно распахать 52 млн га; стоимость продукции растениеводства возрастет (из-за снижения производительности труда) на 50–70 %.

В связи с этим вполне закономерно, что к началу 80-х гг. ХХ в. мировое производство ХСЗР составляло 2,3–2,5 млн т. В стоимостном же выражении мировое потребление ХСЗР оценивалось в 1986 г. в 17,5 млрд дол. Из общего количества производимых во всем мире препаратов США и Канада при-меняли 33 %, страны Западной Европы – 25, страны Юго-Восточной Азии – 22, страны Восточной Европы (включая Россию) – 10, страны Латинской Америки – 9, Австралия и Новая Зеландия – 1 %. На 1 га посевов в Италии используют 21 кг ХСЗР, в Японии – около 16, в других развитых странах Западной Европы – в среднем 2–3, в республиках бывшего СССР – от 0,6 (Эстония) до 13,2 (Молдавия), а во всем мире – в среднем – 0,3–0,4 кг д. в. на 1 га.

Общепринятое собирательное название ХСЗР – пестициды (от лат. pestis – зараза и caedo – убиваю). По разным оценкам, в последние годы в мире насчитывается более 1000 химиче-ских соединений, на основе которых выпускают десятки ты-сяч препаративных форм пестицидов. Обычно пестициды классифицируют по их целевому назначению. Наиболее часто применяют следующие из них: гербициды – для борьбы с сор-ными растениями; инсектициды – с вредными насекомыми; фунгициды – с грибными болезнями растений и различными грибами; зооциды – с вредными позвоночными; родентици-ды – с грызунами; бактерициды – с бактериями и бактериаль-ными болезнями растений; альгициды – для уничтожения водо-рослей и сорной растительности в водоемах; дефолианты – для удаления листьев и ботвы; десиканты – для подсушивания листьев перед уборкой; ретарданты – для торможения роста растений и повышения устойчивости стеблей к полеганию и др.

Пестициды подразделяют также по стойкости в окружаю-щей среде или по способности к бионакоплению. Эти свойства обусловлены химической структурой и физико-химическими особенностями препаратов. Наиболее стойкими и одновремен-

90

но обладающими четко выраженными кумулятивными свой-ствами являются хлорорганические пестициды, для которых наиболее характерно концентрирование в последующих звеньях пищевых цепей.

По устойчивости к разложению в почве пестициды подраз-деляют на очень стойкие (время разложения на нетоксичные компоненты составляет свыше 2 лет); стойкие (от полугода до 2 лет); умеренно стойкие (до 6 месяцев); малостойкие (1 месяц).

Большинство пестицидов относится к синтетическим хи-мическим соединениям – ксенобиотикам, т.е. к веществам, чуждым биосфере (от греч. xenos – чужой). Эти продукты еще до сравнительно недавнего времени отсутствовали на планете, что осложняет процесс их детоксикации. При возрастающих объемах применения пестицидов их остатки или продукты ме-таболизма могут накапливаться в объектах окружающей при-родной среды, мигрировать по пищевым цепям и вызывать не-желательные последствия, негативно влияя на качество питье-вой воды, и т.д.

6.2. Îñîáåííîñòè èñïîëüçîâàíèÿ ïåñòèöèäîââ ñåëüñêîì õîçÿéñòâå

К особенностям использования пестицидов в сельском хо-зяйстве относятся их циркуляция в биосфере, высокая биоло-гическая активность, необходимость применения значитель-ных локальных концентраций, вынужденный контакт населе-ния с пестицидными препаратами. Накапливаясь в почвах, растениях, животных, пестициды могут вызвать глубокие и необратимые нарушения нормальных циклов биологического круговорота веществ и снижение продуктивности почвенных экосистем.

Подавляющее число пестицидов – кумулятивные яды, ток-сичное действие которых зависит не только от концентрации, но и от длительности воздействия. Так, в процессе биоаккуму-ляции происходит многократное (до сотен тысяч раз) повыше-ние концентрации пестицида по мере продвижения его по пи-щевым цепям.

В процессе биотрансформации пестицидов наряду с де-токсикацией имеет место и токсификация, т.е. образование веществ, обладающих высокой токсичностью. Мерой токсич-ности является доза (количество вещества, достаточное для отравления). Токсичность пестицидов обычно сравнивают

91

сопоставлением минимальных доз, вызывающих смертность 50 % подопытной группы организмов; эти дозы обозначают символом ЛД50.

По токсичности для человека и теплокровных животных пестициды подразделяют:

на сильнодействующие – ЛД 50 до 50 мг/кг живой массы (бромистый метил и др.);

высокотоксичные – ЛД 50 до 200 мг/кг (базудин и др.);среднетоксичные – ЛД 50 до 1000 мг/кг (медный купорос

и др.);малотоксичные – ЛД 50 более 1000 мг/кг (бордоская жид-

кость, витавакс, диален, неорон, сера и др.).В настоящее время разработаны математические методы,

позволяющие прогнозировать опасность накопления того или иного пестицида в агроэкосистеме.

Наряду с приведенной классификацией пестицидов по ток-сичности существует их комплексная гигиеническая класси-фикация, разработанная НИИ гигиены и токсикологии пести-цидов, которая основана на учете всех реальных проявлений опасности пестицида (степень летучести, кумуляция, стой-кость во внешней среде, возможность проявления отдаленных последствий для биоты и человека и т.д.).

Класс опасности препарата в данном случае определяется на основании лимитирующего критерия, т.е. того отрицатель-ного свойства пестицида, от которого в первую очередь мо-жет зависеть возможность возникновения нежелательных последствий.

По степени комплексного воздействия на организм пести-циды подразделяют на четыре класса: I – чрезвычайно опас-ные; II – высоко опасные; III – умеренно опасные; IV – мало опасные. Разработана шкала экотоксикологической оценки пе-стицидов, включающая систему критериев, среди которых токсиколого-гигиенические – оценка по нормативам, воздей-ствие на органолептические свойства, летучесть (упругость паров), токсичность для теплокровных животных и человека (ЛД50, мг/кг), а также способность к кумуляции их в организ-ме (коэффициент бионакопления); эколого-агрохимические – персистентность в почве (месяцы), миграция по почвенному профилю (сантиметры), транслокация в культурные растения, фитотоксическое действие через почву, реакция на действие инсоляции; экотоксикологические – коэффициент избиратель-ности действия.

92

Итак, с одной стороны, применение пестицидов является важным фактором увеличения производства продукции. С другой же стороны, обнаружилось, что в результате их ис-пользования вредителей, болезней и сорняков не стало мень-ше. Более того, появились новые конкуренты человека в борь-бе за урожай: насекомые, которые раньше не имели значения для сельского хозяйства; болезни растений, на которые прежде не обращали внимания; сорняки, считавшиеся редкими, а ино-гда даже экзотическими видами.

Странные на первый взгляд изменения происходят и в окру-жающей среде. Птицы начинают нести яйца с очень тонкой и мягкой скорлупой; в водоемах погибает рыба; все меньше ста-новится птиц (особенно хищных – одного из конечных звеньев в пищевых цепях) и мелких животных, питающихся насеко-мыми, а последние, наоборот, появляются в огромных количе-ствах и т.д. Например, тетраниховые растительноядные клещи (черносмородиновый клещ и др.) до применения ядохимика-тов встречались редко, а сейчас на борьбу с ними приходится затрачивать значительное количество производимых пестици-дов. Известно, что до 50-х гг. прошлого века основными вре-дителями хлопчатника были хлопковый долгоносик и коро-бочный червь. После широкого применения ДДТ, токсафена и других препаратов массовое распространение получили хлоп-ковая совка, табачная листовертка, табачная тля, паутинный клещ и пяденица, численность которых после подавления пер-вых двух видов заметно возросла.

6.3. Îòðèöàòåëüíûå ïîñëåäñòâèÿ, ñâÿçàííûåñ ïðèìåíåíèåì ïåñòèöèäîâ â àãðîýêîñèñòåìàõ

Отрицательные последствия, связанные с пестицидами, обусловлены, главным образом, разрушением биогеоценозов, в которых само существование и численность отдельных ви-дов животных тесно связаны между собой. Пестицид, уничто-жая вредителя, разрушает связи, благодаря которым числен-ность данного вредителя поддерживалась в естественных условиях на определенном уровне. Если у такого вредителя возникает устойчивость к применяемым препаратам, то про-исходит вспышка (массовое его развитие), поскольку связи, сдерживающие этот процесс, либо разорваны, либо ослабле-ны. Наряду с паразитами и хищниками, есть и симбионты, т.е. растения или животные, без которых организм не может нор-

93

мально существовать. Так, у насекомых на каждой стадии раз-вития (яйцо, личинка, куколка, взрослая форма) имеются свои враги и симбионты. Очевидно, что из-за неизбирательности своего действия пестицид не может полностью избавить рас-тения от того или иного вредителя. Немногочисленные же оставшиеся особи уже будут менее восприимчивы к токсикан-ту, а ослабление и разрыв остальных связей (что фактически и происходит) во многих случаях ведут к резкому последующе-му увеличению численности вредителей.

Значительны потери из-за уничтожения пестицидами насекомых-опылителей, опыляющих около 80 % всех цветко-вых растений. Ущерб только от гибели пчел составил более 2 млрд р. (в ценах 1985 г.). Причем доказано, что гибель насе-комых резко возросла не только из-за непосредственного от-равления гербицидами, но и потому, что пчелы, прилетевшие с участков, на которых проводилась обработка химикатами, имели другой запах и изгонялись из ульев. Так, в Калифорнии (США) при авиаобработках посевов пестицидами погибает до 10–20 % пчелиных семей. Аналогичные ситуации были отме-чены в Болгарии и Польше. При обследовании пчелиных се-мей, погибших от пестицидов в Краснодарском крае, установ-лено, что в первую очередь гибнут сильные семьи, поскольку они посещают большее количество растений и на более уда-ленных участках.

После освобождения с помощью гербицидов от сорняков «первого поколения» поля заселяют более устойчивые к ним виды, которые прежде были редкими (полевой хвощ, мать-и-мачеха, лисохвост, овсюг, пырей и др.).

В середине 70-х гг. ХХ в. в результате отравления пестици-дами на территории бывшего СССР ежегодно погибало около 40 % лосей, кабанов и зайцев, более 77 % боровой дичи, уток и гусей и более 30 % рыб в пресных водоемах.

Представляют интерес статистические данные, согласно которым в 1938 г. было известно всего 7 видов насекомых-вредителей, устойчивых к пестицидам, однако к 1984 г. рези-стентность (от лат. resistere – сопротивляться) к одному и бо-лее акарицидам или инсектицидам отмечена уже почти у 450 видов, т.е. у значительной части наиболее известных вредите-лей (или почти у 10 % видов насекомых считающихся вредны-ми). Зарегистрировано более 150 фитопатогенных организмов, 50 видов сорняков и 10 видов мелких млекопитающих и не-матод, устойчивых к пестицидам. С учетом же кроссрезистент-

94

ности (перекрестная резистентность, при которой повышенная устойчивость к действию одного препарата сопровождается устойчивостью к соединениям других химических классов) общее число зарегистрированных случаев резистентности превышает 1600.

Характеризуя возможные ситуации, связанные с примене-нием пестицидов, следует помнить, что они всегда отрица-тельно влияют на обитателей почв, жизнедеятельность кото-рых лежит в основе поддержания почвенного плодородия. В частности, пестициды (особенно медьсодержащие) угнета-ют процесс нитрификации. Известны случаи, когда в результа-те чрезмерной химической нагрузки на почву доминирующее положение в ней занимали фитопатогенные микроорганизмы. При интенсивном использовании пестицидов отмечается сте-рилизация почвы.

Считается (Соколов и др., 1994), что гербициды (в зависи-мости от применяемой дозы) воздействуют на микробоценоз, нарушая гомеостаз (устойчивое колебание вокруг определен-ного среднего уровня численности отдельных групп или ак-тивности метаболических процессов), вызывая стресс (обра-тимая депрессия, или временное угнетение жизнедеятельно-сти), изменяя резистентность и индуцируя смену доминантных форм, а также обусловливая репрессии (необратимые реак-ции). Если микробиологическая деятельность (численность и видовой состав) восстанавливается в течение 60 сут после воздействия, то реакция микробоценоза считается обратимой; если ингибирование определенных форм микроорганизмов не менее чем на 50 % сохраняется до конца вегетационного пе-риода, реакция считается необратимой.

При использовании гербицидов на фоне отсутствия или слабого развития травяного покрова многократно увеличива-ется вероятность развития процессов эрозии почвы.

Вода – основной компонент биосферы и незаменимый фак-тор существования биоты – является главным транспортным средством для пестицидов. Почвенные и грунтовые воды, вну-тренние водоемы и водотоки, а затем и Мировой океан при на-личии определенных условий становятся конечными пунктами сосредоточения токсикантов. Регулярное применение больших количеств стойких липофильных пестицидов на обширных тер риториях (немалая часть которых, как правило, – площади водосбора) непременно становится причиной загрязнения во-доемов. Токсиканты перемещаются с жидким и твердым стока-

95

ми. Загрязнение поверхностных вод пестицидами происходит из-за прямого поступления в результате аварий, а также при на-рушении правил транспортировки и хранения препаратов, при сносе аэрозолей или паров пестицидов в процессе их примене-ния, в процессе стока поверхностных или дренажных вод с уго-дий, обработанных пестицидами.

Мировая практика применения пестицидов свидетель-ствует о том, что они несут в себе потенциальную опасность. Нетоксичных для человека пестицидов нет.

Любой пестицид, будучи внедренным в экосистему, неиз-бежно вызывает в ней глубокие изменения. Действие пестици-дов никогда не бывает однозначным. Исходя из присущей всем пестицидам совокупности свойств, можно констатировать сле-дующее:

для пестицидов, как правило, характерен широкий диа- пазон токсического действия на живое вещество биосферы; очевидно, что общепринятые названия – гербициды, инсекти-циды, фунгициды и т.д. – не дают достаточного представления о возможном реальном воздействии этих веществ на природ-ные комплексы и их компоненты;

пестициды чрезвычайно токсичны для животных и человека; подавляемые формы в любом агроценозе составляют не

более доли процента от общего числа видов (в биосфере мак-симум 0,5 %); при применении же пестицидов поражаются не только объекты подавления, но и множество других видов, не являющихся мишенями действия, в том числе естественные враги и паразиты подавляемых форм;

пестициды всегда применяются против популяций; действие пестицидов не зависит от плотности популяции,

но их применяют только тогда, когда численность популяции объекта подавления достигает высоких значений;

руководствуясь ошибочным пониманием надежности об- работки полей, угодий, акваторий, как правило, преднамерен-но расходуют значительно бόльшее количество препаратов, чем необходимо для уничтожения вредителя;

мизерность «целевого» попадания используемых препа- ратов (инсектициды и фунгициды – около 3 %, гербициды – 5–40 % от применяемого количества), короткие сроки «целево-го» действия (1–2 % общего времени нахождения в окружаю-щей среде);

остаточные количества пестицидов аккумулируются и биоконцентрируются в пищевых (трофических) цепях;

96

имеет место вынос остаточных количеств пестицидов за пределы обрабатываемой территории;

появляются резистентные к пестицидам формы вредных организмов;

гибнут некоторые полезные организмы и происходят глу- бокие нарушения взаимосвязей в биоценозах;

возрастает вероятность отдаленных последствий, связан- ных с патологическим и генетическим действием ряда препа-ратов на биоту.

6.4. Ýêîëîãè÷åñêèå òðåáîâàíèÿ ê ïåñòèöèäàì

Объективная реальность требует, чтобы при решении задач химизации с использованием пестицидов поддерживался точ-ный баланс между положительными и потенциальными отри-цательными эффектами. Необходимо управление тремя клю-чевыми связями: взаимоотношениями между пестицидами и их целевыми объектами, взаимоотношениями между пестици-дами и окружающей средой в естественной или искусствен-ной экосистеме и взаимоотношениями в цепи пестицид – пища – человек.

Пути решений здесь в первую очередь должны, по-видимому, определяться повышенными экологическими тре-бованиями к пестицидам. По мнению видного отечественного специалиста в области химических методов защиты растений члена-корреспондента Российской академии наук Н.Н. Мель-никова, новые пестициды должны соответствовать следую-щим требованиям:

умеренной персистентностью в объектах окружающей среды в данной климатической зоне;

очень низкой токсичностью для человека, животных и других полезных организмов, в том числе гидробионтов;

относительно быстрым разложением в почве, воде, ат- мосфере и в организмах теплокровных животных с образова-нием продуктов, безопасных для человека, животных и куль-турных растений;

отсутствием кумуляции этих препаратов в организме че- ловека, животных, птиц и гидробионтов;

отсутствием отдаленных отрицательных последствий для человека, животных и других живых организмов при система-тическом длительном использовании препаратов;

97

возможностью чередования препаратов из различных классов соединений во избежание привыкания к ним вредных организмов, а также накопления препаратов в объектах окру-жающей среды.

Химизация сельского хозяйства по своей сути – активное вмешательство человека в круговорот веществ в природе для его регулирования и стимулирования наибольшей отдачи по-чвы, растительного и животного мира. Связанные с химизаци-ей преимущества, с одной стороны, и ее отрицательные по-следствия, с другой стороны, – это противоположности, обра-зующие сущность единого, но противоречивого целого – про-цесса химизации. В принципе, следует рассматривать хи мические средства, применяемые на биогенетической осно-ве, как способ управления процессами саморегуляции орга-низмов агроценоза. Оценивая с таких позиций сложившуюся практику применения ХСЗР, нельзя не обратить внимания на ее определенную «прямолинейность», вследствие чего долж-ным образом не учитываются особенности функционирования экологических систем, где «все связано со всем».

В процессе предотвращения возможных неблагоприятных последствий, вызываемых вредителями, болезнями, сорняка-ми, целевому воздействию подлежит множество объектов эли-минирования. Очевидно, что и арсенал применяемых спосо-бов защиты растений также должен быть достаточно разно-образным и максимально соответствующим (близким) приро-де нежелательных явлений. Речь должна идти о комплексной системе защитных мероприятий, включающей биологические, агротехнические, карантинные, механические, селекционные, семеноводческие, физиологические и химические способы, раз-рабатываемые на основе познания объективных закономерно-стей развития культурных растений, их вредителей, болезней и полезных организмов с учетом влияния окружающей среды.

Основное направление биологического способа – исполь-зование полезных насекомых и клещей (энтомофагов) в борь-бе с вредными. Энтомофаги представлены в природе хищни-ками, ведущими активный образ жизни и питающимися мно-гими особями одного или (чаще) нескольких видов вредителей и паразитами (или паразитоидами), живущими до достижения взрослой стадии внутри или на теле одной особи вредителя и питающимися ею. Наиболее известные и широко используе-мые хищники – божьи коровки, златоглазки, жужелицы, мухи-журчалки, муравьи.

98

Из числа паразитов для биологической защиты часто при-меняют перепончатокрылых насекомых (трихограмм, брако-нид, ихневмонид, теленомусов, энкарзий и др.) и мух (тахи-нов и др.).

Наиболее опасны для растений иноземные карантинные вредители. В новых районах обитания они лишены своих вра-гов и поэтому причиняют огромный ущерб. Самый эффектив-ный способ борьбы с такими вредителями – интродукция с их родины энтомофагов. Завезенные хищники и паразиты либо акклиматизируются в новых условиях, либо их размножают в биолабораториях и выпускают в природу, где они с успехом заменяют химические обработки. Большое значение имеют мероприятия по охране местных энтомофагов: создание ми-крозаповедников, расселение некоторых видов (например, му-равьев) по территории, посев вблизи сельскохозяйственных угодий нектароносов для подкормки взрослых паразитов, ис-пользование высокоселективных пестицидов в сроки, безопас-ные для энтомофагов, и т.д.

Изучение биологических особенностей полезных организ-мов и разработка методов, обеспечивающих их развитие, по-зволяют сохранить биоценотическое равновесие и значитель-но сократить или даже исключить применение химических средств борьбы с вредными организмами.

Биологические средства начали использовать и для защиты растений от болезней. Так, на основе изучения гиперпаразита мучнистой росы огурца создан биопрепарат, позволяющий ис-ключить применение в защищенном грунте химических средств для борьбы с наиболее опасной болезнью огурца. Раз-рабатываются приемы использования для этой цели ряда ави-рулентных штаммов бактерий и грибов, эффективных против различных корневых гнилей, ржавчины и мучнистой росы зер-новых и других культур. Исследуется возможность примене-ния биологических методов в борьбе с сорными растениями, например горчаком розовым, амброзией, повиликой, заразиха-ми. Перспективно использование против сорняков специаль-ных растительноядных насекомых (гербифагов).

К настоящему времени завершены работы по выделению и идентификации гормонов, управляющих метаморфозом и размножением насекомых. В частности, расшифрована хи-мическая структура многих гормонов и осуществлен их синтез.

99

В практике защиты растений широкое применение находят синтетические половые феромоны (биологически активные летучие вещества, управляющие размножением и многими другими формами жизнедеятельности) для выявления очагов вредителей, установления сроков проведения мероприятий по химической защите и привлечения самцов вредных насекомых к источникам стерилизации.

Комплексный подход к защите сельскохозяйственных рас-тений от вредителей, болезней, сорных растений послужил основой для создания интегрированной системы защиты рас-тений, или интегрированной борьбы с вредными видами. Это особый подход к совместному использованию всех доступных форм подавления вредного организма, включая механические, физические, биологические, биоценотические, агротехниче-ские, химические способы борьбы и регулирования численно-сти, систематически применяемые для достижения основной цели – безопасно, эффективно и с минимальными затратами средств уменьшить популяцию вредного вида.

Известен зарубежный аналог интегрированной системы защиты растений – интегрированная система регулирования численности вредителей. Как отмечал С. Поустел (1988), на-зывая эту систему комплексной борьбой с вредителями (КБВ), она рассматривает сельскохозяйственные угодья как экоси-стему, в которой взаимодействует множество природных фак-торов, влияющих на вредных насекомых и сорняки. Данная система включает механизмы биологического контроля (есте-ственные враги вредителей), культуру сельскохозяйственного производства, генетические преобразования (создание устой-чивых к вредителям сельскохозяйственных культур) и разум-ное использование химикатов, способствующих стабилиза-ции урожаев при минимизации угрозы здоровью населения и окружающей среде. При этом преследуется цель не полного уничтожения вредителей и сорняков, а поддержание их чис-ленности на том уровне, который не приводит к ощутимым экономическим потерям. Химикаты в КБВ не первоочередное и основное средство борьбы, а избирательное и используемое только в случае острой необходимости. Рассматриваемая си-стема борьбы требует знаний о жизненных циклах вредите-лей, их поведении и естественных врагах, о влиянии способов посева и внесения ядохимикатов на численность вредителей и их врагов, а также о ряде других параметров сельскохозяй-ственных экосистем.

100

Ãëàâà 7

ÝÊÎËÎÃÈ×ÅÑÊÈÅ ÏÐÎÁËÅÌÛ ÐÅÑÏÓÁËÈÊÈ ÁÅËÀÐÓÑÜ ÑÂßÇÈ Ñ ÊÀÒÀÑÒÐÎÔÎÉ ÍÀ ×ÅÐÍÎÁÛËÜÑÊÎÉ ÀÝÑ

7.1. Ñîñòîÿíèå ïðîáëåìû

Экологическая обстановка в республике резко обострилась в связи с катастрофой на Чернобыльской АЭС, в результате ко-торой 1/5 часть территории оказалась в зоне радиоактивного загрязнения. В основном это районы Гомельской и Могилев-ской, а также частично Брестской, Минской и Гродненской об-ластей. Загрязнено более 1,7 млн га сельскохозяйственных угодий, из которых 273 тыс. га полностью исключены из сель-скохозяйственного оборота. Радиоактивному загрязнению под-верглось более 2 млн га леса, что составляет около 30 % всего лесного фонда Беларуси.

По своим масштабам и долговременным последствиям эта авария является крупнейшей экологической катастрофой. Ее глобальность заключается не только в радиоактивном за-грязнении больших территорий, но и в том, что она охватила практически все сферы общественной жизни, многие области науки и производства. Из общественного потребления исклю-чаются природные ресурсы, изымаются плодородные пахот-ные земли, сокращаются размеры пользования лесными, минерально-сырьевыми и другими ресурсами. Существенным образом меняются условия функционирования объектов про-изводственного и социального назначения, расположенных в зонах загрязнения. Отселение из загрязненных радионукли-дами населенных пунктов приводит к прекращению деятель-ности ряда предприятий и объектов социальной сферы. Респу-блика несет убытки от снижения объемов производства, не-полной окупаемости средств, вложенных в здания, сооруже-ния, оборудование, мелиоративные системы. Существенны потери топлива, сырья и материалов.

Согласно проведенным расчетам, суммарный ущерб, нане-сенный республике чернобыльской аварией за период с 1986 по 2015 г., в ценах на 1 июня 1992 г. составит 6871,8 млрд р.

Из всех отраслей республики наиболее пострадало сельско-хозяйственное производство. Прямые потери от выбытия зе-мель из оборота за период 1986–2015 гг. в ценах на 1 июня

101

1992 г. – 380,8 млрд р., стоимость недополученной в связи с этим валовой продукции исчисляется в 257,7 млрд р., потери основных производственных и оборотных фондов определены в размере 21,6 млрд р., основных фондов мелиоративного и водного хозяйства – в 5,3 млрд р., потери продукции личных подсобных хозяйств составят свыше 10 млрд р. Суммарный ущерб, нанесенный сельскохозяйственному производству в результате аварии, – 1730,9 млрд р.

7.2. Ïðèíöèïû âåäåíèÿ ñåëüñêîõîçÿéñòâåííîãî ïðîèçâîäñòâà íà òåððèòîðèÿõ ñ ïîâûøåííûì ñîäåðæàíèåì ðàäèîíóêëèäîâ

Основные проблемы, требующие решения при организации агропромышленного производства на территориях с повышен-ным содержанием радионуклидов, – получение сельскохозяй-ственной продукции, отвечающей радиологическим стандар-там, и минимизация доз облучения специалистов, занятых в АПК. Радиологические стандарты выражают в виде допусти-мых концентраций радионуклидов в пищевых продуктах (их измеряют в Бк/кг). При установлении таких концентраций ис-ходят из радиобиологических (дозиметрических) показателей – пределов доз облучения человека, которые формируются при потреблении пищевых продуктов, содержащих радионукли-ды в этих концентрациях. Таким образом, реализуется дозо-вый принцип ограничения облучения человека радионукли-дами, содержащимися в агросфере (эффект облучения зави-сит от его дозы). В качестве производных критериев допу-стимого содержания радионуклидов на сельскохозяйственных угодьях используют плотность их загрязнения определенным радионуклидом (ее выражают в Бк/м2). При этом предполага-ют, что при допустимой плотности загрязнения сельскохо-зяйственных угодий концентрация радионуклидов в произво-димой сельскохозяйственной продукции не превышает допу-стимых норм.

При радиационной аварии с выбросом радиоактивных ве-ществ в окружающую среду и загрязнением сельскохозяйствен-ных угодий принято выделять несколько периодов в развитии радиационной ситуации, различающихся по мероприятиям, проводимым в сфере агропромышленного производства с целью обеспечения минимального загрязнения продукции и при необходимости ограничения дозовых нагрузок на сельско-

102

хозяйственных животных. Аналогичную периодизацию прово-дят в отношении мероприятий по обеспечению радиационной безопасности населения. При выполнении комплекса защитных мероприятий в АПК на загрязненных территориях для специали-стов сельского хозяйства предусматривается обеспечение усло-вий работы, отвечающих нормам радиационной безопасности.

В основу организации агропромышленного производства на загрязненных угодьях положен зональный принцип, согласно которому особенности ведения сельского хозяйства, а также ин-тенсивность защитных мероприятий определяются плотностью радиоактивного загрязнения, исходя из которой территорию разделяют на зоны с определенным содержанием радионукли-дов. Разделение на зоны по плотности радиоактивного загрязне-ния предопределяется неодинаковым накоплением биологиче-ски значимых радионуклидов в основных сельскохозяйствен-ных продуктах (молоке, мясе, продукции растениеводства и др.). Так, в регионе аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. в АПК были выделены зоны с плотностью загрязнения 137Cs (критиче-ский радионуклид): до 5 Ки/км2(185 кБк/м2); 5–15 (185–555); 15–40 (555–1480) и свыше 40 Ки/км2 (1480 кБк/м2).

В каждой из указанных зон была введена дифференциро-ванная система агропромышленного производства, обеспечи-вающая получение продукции, отвечающей радиологическим стандартам.

При ведении агропромышленного производства на землях, подвергшихся радиоактивному загрязнению, вводится ком-плекс защитных мероприятий, цель которого – получение про-дукции, отвечающей радиологическим стандартам, и миними-зация доз облучения населения, потребляющего радионуклид-содержащие пищевые продукты. Эффективность контрмер в АПК оценивается по радиоэкологическим показателям (сни-жению концентрации радионуклида в сельскохозяйственном продукте), радиологическим критериям (уменьшению дозы облучения человека при потреблении им радионуклидсодер-жащей сельскохозяйственной продукции) и радиолого-эко-номическим показателям (по экономическим затратам на еди-ницу снижения дозы облучения).

В растениеводстве важным способом снижения поступле-ния радионуклидов в сельскохозяйственные культуры служит подбор видов и сортов растений, характеризующихся мини-мальным накоплением радионуклидов.

103

В луговодстве и кормопроизводстве к числу наиболее эф-фективных по радиоэкологическим показателям (снижение концентрации радионуклидов в растениях) относится перевод низкопродуктивных естественных пастбищ в искусственные (сеяные травы) с известкованием и внесением удобрений.

В защите растений, выращиваемых на загрязненных угодьях, важную роль играет оптимизация применения хи-мических средств защиты, обеспечивающая минимизацию содержания токсикантов в пищевых продуктах (радиону-клидов и веществ нерадиационной природы).

В животноводстве основное внимание уделяют рацио-нальному кормлению животных, обеспечивающему получение продукции, отвечающей радиологическим стандартам (в част-ности, перевод животных в предубойный период на «чистые» корма, введение в рацион специальных добавок для ограниче-ния перехода радионуклидов в продукцию животноводства, например ферроцианидов для снижения концентрации 137Cs в молоке и мясе, кальциевых препаратов для уменьшения пе-рехода 90Sr в молоко).

В ветеринарной медицине при содержании животных на загрязненных территориях применяют комплекс мер, направ-ленных на исключение лучевой патологии (ограничение по-ступления радионуклидов в организм животных и обусловлен-ное этим снижение дозы внутреннего облучения, уменьшение дозы внешнего облучения).

В перерабатывающих отраслях АПК используют ряд тех-нологических процессов, обеспечивающих более низкие кон-центрации радионуклидов в конечных (пищевых) продуктах, чем в сырье (например, переработка молока в масло, получе-ние сахара, растительного масла, крахмала).

При сильном радиоактивном загрязнении сельскохозяй-ственных угодий получение пригодной по содержанию радио-нуклидов продукции становится невозможным, точнее нера-циональным с экономической и радиационно-гигиенической точек зрения. В таких случаях может оказаться целесообраз-ным перепрофилирование отдельных отраслей АПК, а в край-нем случае – полное прекращение сельскохозяйственной дея-тельности человека (как, например, в 30-километровой зоне Чернобыльской АЭС).

В этих случаях возникает проблема постепенной реабили-тации загрязненных сельскохозяйственных угодий и возвра-щения их в хозяйственный оборот с учетом радиологических

104

характеристик (распад радионуклидов, уменьшение их биоло-гической подвижности в агросфере).

Существенное влияние на структуру земельного фонда Беларуси продолжают оказывать последствия чернобыль-ской катастрофы, в результате которой радиоактивному за-грязнению была подвержена значительная часть территории страны.

Большая часть загрязненной территории расположена в пре-делах Гомельской области (82 %), в Могилевской области (18 %).

За послеаварийный период радиационная обстановка на сельскохозяйственных землях значительно улучшилась. Прои-зошел распад короткоживущих радионуклидов. Концентрация долгоживущих радионуклидов 137Cs и 90Sr в почве уменьши-лась более чем 2 раза только благодаря естественному распаду.

Установлено, что за прошедшие 20 лет величина мощности экспозиционной дозы (МЭД) в пунктах наблюдений в Гомель-ской области, где выпало больше короткоживущих радиону-клидов, снизилась в 10,3–13,0 раз, в Могилевской области – в 5,4–5,8 раза. Наблюдается постепенное уменьшение площа-ди используемых загрязненных земель.

Сельскохозяйственное производство ведется на 1026,6 тыс. га земель, загрязненных 137Cs с плотностью 1–40 Ки/км2.

Основные массивы сельскохозяйственных угодий, загряз-ненных 137Cs, сосредоточены в Гомельской (47,8 % общей пло-щади) и Могилевской (23,7 %) областях. В Брестской, Грод-ненской и Минской областях доля загрязненных земель неве-лика и составляет соответственно 6,5 % , 3,0 и 3,6 %.

Загрязнение территории 90Sr имеет более локальный ха-рактер. Загрязнение с плотностью более 6 кБк/м2 обнаружено примерно на 10 % общей площади страны. Максимальный уровень содержания (1798 кБк/м2) выявлен в границах 30-километровой зоны ЧАЭС в Хойникском районе Гомель-ской области. Содержание 90Sr достигает также значительных величин (до 1370 кБк/м2) в северной части Гомельской обла-сти (Ветковский район), а в Могилевской области (Чериков-ский район) оно составляет до 29 кБк/м2.

Земли, загрязненные 90Sr, находятся в пределах зон загряз-нения 137Cs, что весьма затрудняет сельскохозяйственное про-изводство. Распределение площади сельскохозяйственных зе-мель, загрязненных 90Sr с плотностью более 5,6 кБк/м2 (более 0,15 Ки/м2) в разрезе административных областей Беларуси, иллюстрирует табл.7.1.

105

Таблица 7.1. Плотность загрязнения сельскохозяйственных земель 90Sr (по данным Минсельхозпрода Республики Беларусь на 01.01.2009 г.)

ОбластьПло-щадь, тыс. га

Всего загрязне-но более 5,6 кБк/м2

(>0,15 Kи/км2)

В процентах по зонам загрязнения, кБк/м2 (Kи/км2)

тыс. га % 5,6–11,0(0,15–0,30)

11,1–37,0(0,31–1,00)

37,1–107,1(1,01–2,99)

Сельскохозяйственные земли

Брестская 1209,7 1,3 0,1 100,0 – –Гомельская 1223,7 326,1 26,7 55,5 37,0 7,5Могилевская 1147,3 16,3 1,5 96,0 4,0 –Всего по Беларуси 7584,0 343,7 4,5 58,0 35,0 7,0

Пашня

Брестская 671,3 1,0 0,2 100,0 – –Гомельская 690,6 184,8 26,6 55,5 36,0 8,5Могилевская 710,6 8,8 1,2 99,5 0,5 –Всего по Беларуси 4601,5 194,6 4,2 58,0 34,0 8,0

Сенокосы и пастбища

Брестская 532,8 0,4 0,1 100,0 – –Гомельская 527,2 141,3 26,8 55,5 38,5 6,0Могилевская 427,5 7,4 1,7 92,5 7,5 –Всего по Беларуси 2926,7 149,1 5,1 57,0 37,0 6,0

Из общей площади земель, загрязненных 90Sr, 94,9 % со-средоточены в Гомельской области. В Могилевской и Брест-ской областях доля таких земель невелика и составляет соот-ветственно 4,7 и 0,4 % .

В настоящее время преобладающая часть радионуклидов, выпавших на почву, находится в верхних слоях. Миграция 137Cs и 90Sr вглубь происходит медленно, со средней ско-ростью 0,3–0,5 см/г, поэтому угроза загрязнения водоносных горизонтов практически отсутствует. Скорость миграции 90Sr несколько выше, чем 137Cs, при этом темпы миграции увели-чиваются с возрастанием степени увлажнения почв.

В результате горизонтальной миграции радионуклидов с ветром, при пожарах, с поверхностным стоком паводковых и дождевых вод, а также вследствие хозяйственной деятельно-сти происходит незначительное локальное очищение одних участков почвы и загрязнение других. Особенно активно идет

106

аккумуляция радионуклидов в пониженных элементах релье-фа, что сказывается на посевах в нижней части склонов. По данным исследований РУП «Институт почвоведения и аг-рохимии», в зернотравяных севооборотах плотность загряз-нения почв 137Cs в зоне аккумуляции может увеличиваться до 20–25 %, под пропашными культурами – до 75 % от исходно-го. В качестве защитной меры рекомендовано использование системы почвозащитных севооборотов и специальной обра-ботки почв с периодическим глубоким (до 40 см) безотваль-ным рыхлением плужной подошвы.

Поступление радионуклидов в культуры существенно за-висит от гранулометрического состава почв и режима их увлажнения. На песчаных почвах переход радионуклидов в растения примерно вдвое выше, чем на суглинках, особенно при низкой обеспеченности почв обменным калием. На пере-увлажненных песчаных почвах, преобладающих в Белорусском Полесье, высокая степень загрязнения кормов наблюдается даже при относительно низких плотностях загрязнения почв радионуклидами. Особенно высокими переходами в растения радионуклидов характеризуются широко распространенные в Полесье торфяные почвы. При одинаковой плотности загрязне-ния с минеральными почвами переход 137Cs в растения на тор-фяных почвах в 4–10 раз выше.

Наиболее эффективными в комплексе защитных мер по уменьшению перехода 137Cs и 90Sr из почвы в растения являет-ся известкование кислых почв, внесение повышенных доз ми-неральных и органических удобрений, подбор культур и сортов, минимально накапливающих радионуклиды. За по-слеаварийный период в Беларуси переход 137Cs из почвы в сельскохозяйственную продукцию снизился более чем на по-рядок. По экспертной оценке, около половины этого снижения обусловлено проведением контрмер, другая половина прихо-дится на природные факторы распада и фиксации почвой ра-дионуклидов цезия. Поступление 90Sr в пищевую цепь удалось снизить только до 3 раз, поскольку доступность его растениям имеет тенденцию к повышению.

7.3. Ïåðåõîä ðàäèîíóêëèäîâ èç êîðìîâ â ìîëîêî è ìÿñî

Накопление радионуклидов в организме связано с их свой-ствами, уровнем и полноценностью кормления животных, ви-дом животных, возрастом и физиологическим состоянием.

107

Основным местом отложения 90Sr является скелет, 137Cs кон-центрируется в мягких органах и тканях. По отложению 90Sr в скелете сельскохозяйственных животных можно расположить в следующий возрастающий ряд: крупный рогатый скот (КРС) < < козы < овцы < свиньи < куры. Отложение 137Cs в организме также наиболее интенсивно происходит у кур, а меньше все-го – у КРС. Установлено снижение поглощения радионукли-дов в желудочно-кишечном тракте взрослых и старых живот-ных. Это объясняется более слабой проницаемостью мембран кишечной стенки и меньшей потребностью взрослого орга-низма в минеральных веществах.

У высокопродуктивных животных коэффициент перехода радионуклидов из кормов в организм, как правило, ниже, чем у низкопродуктивных. Существенное влияние на величину ко-эффициента перехода оказывает сбалансированность рацио-нов кормления животных по основным и особенно минераль-ным элементам питания.

На основании обобщения экспериментального материала по-следних лет установлены коэффициенты перехода радионуклидов из суточного рациона в продукцию животноводства (табл. 7.2).

Из табл. 7.2 видно, что 137Cs более интенсивно переходит из кормов в молоко и мясо по сравнению со 90Sr.

Таблица 7.2. Коэффициенты перехода (Кп) радионуклидов из суточного рациона в продукцию животноводства (в процентах на 1 кг продукта)

Вид продукцииРадионуклиды

137Cs 90Sr

Молоко коровьеВ том числе:в стойловый периодв пастбищный период

0,62

0,480,74

0,14

0,140,10

Говядина 4 0,04Свинина 25 0,14Баранина 15 0,10Мясо кур 450 0,20Яйцо 3,5 3,20

Установлена связь между содержанием клетчатки в загряз-ненном рационе коров при стойловом содержании и перехо-дом 137Cs в молоко. Так, с увеличением содержания клетчатки в рационе от 1,3–1,8 до 3,1 кг/сут отмечается уменьшение ко-эффициента перехода 137Cs от 0,9 до 0,6.

108

7.4. Îñîáåííîñòè âåäåíèÿ ñåëüñêîãî õîçÿéñòâàâ óñëîâèÿõ ðàäèîàêòèâíîãî çàãðÿçíåíèÿ

Производство сельскохозяйственной продукции в зонах ра-диоактивного загрязнения осуществляется согласно «Руковод-ству по ведению агропромышленного производства в условиях радиоактивного загрязнения земель Республики Беларусь», которое издается с учетом изменения радиационной обстанов-ки через каждые 5 лет.

Для получения сельскохозяйственной продукции с допу-стимым содержанием радионуклидов и обеспечения радиаци-онной безопасности населения разработаны и реализуются организационные, агротехнические, агрохимические, техноло-гические и санитарно-гигиенические мероприятия.

Согласно Закону Республики Беларусь «О правовом режиме территорий, подвергшихся радиоактивному загрязнению в ре-зультате катастрофы на Чернобыльской АЭС», ведение сельско-хозяйственного производства на территории, загрязненной радио-нуклидами цезия-137 и стронция-90, возможно в трех зонах.

К первой зоне относятся земли с плотностью загрязнения цезием-137 1-5 Ки/км2 и стронцием-90 менее 0,3 Ки/км2, где производство ведется в обычном порядке и содержание радио-нуклидов в продукции не превышает республиканские допу-стимые уровни. Во вторую зону входят земли с плотностью загрязнения цезием-137 5–15 Ки/км2 и стронцием-90 0,3–1 Ки/км2. Третья зона включает земли с плотностью загрязнения цезием-137 15–40 Ки/км2 и стронцием-90 1–3 Ки/км2. В по-следних двух зонах производство продукции ведется с вне-дрением специальных приемов, направленных на снижение поступления радионуклидов в продукцию растениеводства и животноводства.

Организационные мероприятия включают ряд последова-тельных и взаимосвязанных мер. В связи с тем что загрязне-ние радионуклидами территории хозяйств произошло нерав-номерно, первоочередным мероприятием является инвентари-зация угодий по плотности загрязнения радионуклидами и составление карт радиоактивного загрязнения земель. На основании этого делается прогноз содержания радионукли-дов в будущем урожае и продукции животноводства. Прогноз загрязнения продукции растениеводства позволяет заранее планировать подбор культур для возделывания на загрязнен-ных радионуклидами угодьях, их размещение по полям сево-

109

оборотов с учетом плотности загрязнения почв и использова-ние получаемой продукции. Для прогноза применяют значе-ния коэффициентов перехода радионуклидов (цезия-137 и стронция-90) из почвы в урожай при плотности загрязнения 1 Ки/км2. Значения коэффициентов перехода определены для основных сельскохозяйственных культур, для преобладающих типов почв с учетом содержания в них обменного калия и уровня кислотности. Прогноз загрязнения продукции живот-новодства производится на основе содержания радионуклидов в рационе (суммарной активности кормов, входящих в состав суточного рациона) и коэффициентов перехода радионуклидов из рациона в продукцию. Коэффициенты перехода 137Cs и 90Sr определены в процентном выражении на 1 кг молочной и мяс-ной продукции.

По результатам прогноза производится инвентаризация угодий и определение полей для выращивания культур различ-ного использования: для продовольственных целей; производ-ства кормов; получения семенного материала; технологиче-ской переработки. Организационные мероприятия предусма-тривают изменение структуры посевных площадей и севообо-ротов (внедряются четырех- и пятипольные севообороты); переспециализацию отраслей животноводства; организацию радиационного контроля сельскохозяйственной продукции; исключение угодий из хозяйственного использования или пе-ревод выведенных из землепользования в хозяйственное ис-пользование; оценку эффективности защитных мероприятий и уровня загрязнения урожая после их проведения.

Среди агротехнических мероприятий особое место отво-дится подбору культур. При этом учитывается их способность накапливать радионуклиды в товарной части. Для возделыва-ния подбирают культуры и сорта с минимальными коэффици-ентами накопления радионуклидов. Установлено, что накопле-ние цезия-137 на единицу сухого вещества однолетними куль-турами уменьшается в следующем порядке: зерно люпина, зе-леная масса (пелюшка, редька масличная, рапс, горох, вика), зерно гороха и вики, семена рапса, солома ячменя, овса, ози-мой ржи, озимого тритикале, озимой пшеницы, зерно кукуру-зы, овса, озимой ржи, озимого тритикале, ячменя, яровой пше-ницы, озимой пшеницы.

Убывающий ряд культур по накоплению стронция-90 су-щественно отличается от ряда по накоплению цезия-137: кле-вер, горох, рапс, люпин, однолетние бобово-злаковые смеси,

110

многолетние злаковые травы, солома ячменя и овса, зеленая масса кукурузы и озимой ржи, свекла кормовая, зерно ячменя, овса, озимой ржи, картофель.

Наибольшей способностью аккумулировать цезий-137 и стронций-90 отличаются многолетние травы естественных се-нокосов и пастбищ. Осоково-злаковые и особенно осоковые це-нозы, произрастающие на пониженных, постоянно переувлаж-ненных поймах рек, накапливают 137Cs в 5–100 раз больше, чем злаковые ценозы из ежи сборной и мятлика лугового. По степе-ни уменьшения накопления 90Sr травы располагаются в следую-щем порядке: разнотравье, осоки, ежа сборная, мятлик.

В связи с проведенным комплексом агротехнических и аг-рохимических мероприятий и естественными процессами уменьшения подвижности радиоцезия в почве производство зерновых культур и картофеля на продовольственные цели возможно при плотности загрязнения пахотных угодий цезием-137 до 15 Ки/км2. В зоне 15–40 Ки/км2 возделывание на продо-вольственные цели озимой пшеницы, ржи, ячменя, картофеля, некоторых овощных культур (огурцов, кабачков, томатов) воз-можно только на хорошо окультуренных дерново-подзолистых суглинистых и супесчаных почвах (при отсутствии загрязне-ния почв 90Sr). На окультуренных песчаных почвах возделыва-ние этих культур возможно при плотности загрязнения почв менее 30 Ки/км2. При возделывании корнеплодов – свеклы и моркови – необходимо учитывать уровень загрязнения почвы 90Sr и осуществлять прогноз возможного накопления.

При плотности загрязнения почв 90Sr 1–3 Ки/км2 запреще-но возделывание столового картофеля и зерновых культур на продовольственные цели. Зерновые культуры используются на фураж для мясного откорма животных и производства молока-сырья. На дерново-подзолистых почвах, загрязненных пре-имущественно 137Cs, рекомендуют выращивать клевер, так как он накапливает меньше (в среднем на 30 %) радиоактивного цезия, чем многолетние злаковые травы. При наличии в почве 90Sr (плотность загрязнения более 0,3 Ки/км2) клевер накапли-вает его в 2,5 раза больше, чем злаковые травы. Для обеспече-ния кормового рациона белком рекомендуют выращивать клеверно-злаковые травосмеси. На загрязненных торфяно-болотных почвах подбирают для выращивания только злако-вые травосмеси, так как клевер здесь накапливает примерно в 2 раза больше 134Cs и 90Sr, чем многолетние злаковые травы.

111

Незаменимой кормовой культурой в зонах радиоактивного загрязнения является кукуруза, высокие урожаи зеленой мас-сы которой можно получать как в севообороте, так и в бес-сменных посевах в течение 2–3 лет.

В зонах с высокой плотностью загрязнения 137Cs и 90Sr ре-комендуется возделывать травы на семенные цели.

К технологическим мероприятиям относятся различные методы переработки продукции, содержащей радионуклиды. С учетом того, что загрязнение продукции радионуклидами может быть поверхностным и структурным, их удаляют двумя путями: 1) механическим; 2) технологической переработкой. Эффективность переработки оценивается по коэффициенту очистки. Коэффициент очистки – это отношение удельной ак-тивности сырья к удельной активности продукта, полученно-го из этого сырья. Он показывает, во сколько раз уменьшается содержание радионуклида в продукте по сравнению с сырьем. Эффективные механические методы переработки зерна – об-рушивание (удаление кроющих оболочек) и помол на муку – приводят к уменьшению концентрации радионуклидов в 2–5 раз. Наиболее эффективна технологическая переработка зер-на, т.е. на крахмал и спирт с коэффициентами очистки соот-ветственно 50 и 1000 раз. У овощей и картофеля промывание водой снижает содержание радионуклидов в 3–10 раз; отва-ривание – до 5 раз; удаление кроющих листьев – в 5 раз; сня-тие кожуры – в 3 раза; удаление головки у корнеплодов – в 5 раз; промывание нарезанных овощей 0,1 %-м раствором ук-сусной, лимонной или соляной кислоты – в 30 раз; засолка и маринование – в 3–5 раз. Масличные культуры перерабатыва-ют на масло, где кратность очистки составляет 500 раз. При переработке сахарной свеклы на сахар коэффициент очистки составляет 70–90. За рубежом из сырья, содержащего радиону-клиды, получают кормовой и пищевой белок, глюкозу, фрукто-зу, ферменты, органические кислоты и другие продукты.

7.5. Ìåðîïðèÿòèÿ ïî ñíèæåíèþ ïîñòóïëåíèÿ ðàäèîíóêëèäîââ ïðîäóêöèþ æèâîòíîâîäñòâà

Основной задачей ведения животноводства в зонах радио-активного загрязнения является получение продукции, соот-ветствующей требованиям республиканских допустимых уровней. Проведение защитных агромелиоративных и зоотех-нических мероприятий позволяет значительно снизить произ-

112

водство молока и мяса с превышением допустимых уровней по содержанию 137Cs и 90Sr. В системе этих мероприятий вы-деляют четыре группы приемов:

1) производство кормов с допустимым содержанием радио-нуклидов;

2) изменение условий содержания и рационов кормления крупного рогатого скота на заключительной стадии откорма, введение в рацион специальных добавок, снижающих переход радионуклидов в продукты животноводства;

3) технологическая переработка продуктов животноводства;4) перепрофилирование отраслей животноводства.Известно, что более 90 % радионуклидов поступает в орга-

низм животных с кормами, поэтому их качеству уделяется осо-бое внимание. Чтобы уменьшить содержание радионуклидов в кормах, проводят поверхностное и коренное улучшение паст-бищ и сенокосов. Для получения гарантированно чистых мо-лока и мяса устанавливают пределы допустимого содержания (ПДС) 137Cs и 90Sr в суточном рационе животных и предельно допустимые уровни (ПДУ) радиоактивного загрязнения раз-личных кормов.

При загрязнении отдельных видов кормов, превышающем ПДУ, нормирование радионуклидов в рационе производится за счет увеличения доли более чистых кормов.

Для получения молока, соответствующего нормативам, ре-комендуется использовать улучшенные и культурные пастби-ща и сенокосы, а также скармливать скоту при стойловом со-держании скошенную траву и не выпасать его на пастбищах со слабой дерниной и низким (менее 10 см) травостоем. При стойловом содержании рекомендуют включать в рацион сено с культурных сенокосов, силос сеяных трав и кукурузы, кормо-вую свеклу и концентраты.

Выращивание и начальный откорм молодняка проводятся без ограничений по обычным рационам. Если радиоактивное загрязнение кормов превышает допустимые уровни и не по-зволяет нормировать суточный рацион на уровне ПДС, тогда выращивание и откорм скота проводятся в два этапа.

На первом этапе кормление животных проводят по приня-той в хозяйстве технологии без ограничений. В последние 2 месяца откорма используют рационы, включающие кукуруз-ный силос, сенаж из однолетних трав, корнеплоды, в которых величина 137Cs не превышает ПДС. Контроль рациона по со-

113

держанию 90Sr не проводят, потому что переход его в мышеч-ную ткань не превышает 0,04 %, в то время как переход 137Cs в 100 раз больше и составляет 4 %.

Для снижения перехода радионуклидов в молоко и мясо ре-комендуют обогащать рацион кормовыми добавками, которые избирательно связывают радионуклиды цезия в коллоиды в желудочно-кишечном тракте животных. В качестве таких до-бавок наиболее эффективны ферроционидные препараты, основу которых составляет гексоцианоферрат железа. Приме-нение этих препаратов в составе комбикорма, соли-лизунца лактирующим коровам и молодняку на заключительной ста-дии откорма позволяют снизить концентрацию 137Cs в молоке от 3 до 10 раз, в мясе – от 2 до 5 раз в зависимости от уровня загрязнения рационов цезием.

В первые недели после радиационного выброса введение йодистого калия в рацион способствовало уменьшению радио-активного йода-131 в молоке на 50 % .

Снижение радионуклидов в молоке и мясе отмечается при насыщении рациона минеральными веществами, особенно с содержанием кальция и калия, а также микроэлементами, белково-витаминными препаратами.

В хозяйствах, расположенных на почвах с плотностью за-грязнения 15–40 Ки/км2, где невозможно получение молока, целесообразна переспециализация молочного скотоводства на мясное или переспециализация скотоводства на свиноводство и птицеводство.

Для удаления радионуклидов из молока применяют различ-ные методы очистки и переработки молока-сырья. При очист-ке используют ионообменные смолы (пирофосфат и циалит), хорошо поглощающие ионы цезия и стронция, 80–90 % кото-рых удаляется вместе со смолами при тонкой фильтрации мо-лока. Такой же эффект дает сепарирование молока. Технологи-ческая переработка молока на сливки, творог, масло, сыр со-провождается переходом радионуклидов в обрат, сыворотку и пахту. При этом в сливках остается 4,5–10 % цезия-137 и 2,2–4,7 % стронция-90, в твороге – соответственно 5,2–13,4 и 16–35 % , а в масле – около 1 % от исходного содержания радио-нуклидов в молоке. В молоке стронций-90 связан белками. Для лучшей очистки молока от стронция-90 добавляют лимонную, уксусную или соляную кислоты, которые образуют со стронцием-90 растворимые в воде соли и нерастворимые, вы-падающие в осадок. К эффективным методам очистки отно-

сится переработка молока на сгущенное и сухое, сливок – на сгущенные и сухие. В процессе приготовления сухих продук-тов исходное сырье нагревают до температуры более 400 °С, при которой происходит испарение 137Cs из сырья. Практиче-ски не остается радионуклидов в топленом масле.

Мясо, содержащее радионуклиды, вымачивают в воде с по-следующим посолом; в подкисленном растворе (10 %-ной со-ляной, уксусной или лимонной кислот); в соленом растворе. Мясо можно хорошо посолить и затем несколько раз вымочить в чистой воде.

Эти приемы снижают содержание радионуклидов на 80–90 %. Кулинарная обработка (10-минутная варка мяса в кипя-щем бульоне с последующим сливанием его и заменой чистой водой) приводит к переходу 50–60 % 137Cs из мяса в бульон. Из костей в бульон вываривается 1–2 % 90Sr.

Об эффективности защитных мероприятий, а также о не-обходимости их проведения говорят следующие результаты. Проведение в Республике Беларусь таких защитных меропри-ятий, как выведение из использования земель, где невозможно получение продукции с нормативным содержанием радиону-клидов; исключение из севооборота культур, накапливающих радионуклиды; повсеместное проведение известкования кис-лых почв и внесение повышенных доз фосфорных и калийных удобрений, залужение и перезалужение сенокосов и пастбищ позволило снизить поступление 137Cs в продукцию растение-водства в 5 раз. В результате производство молока, превышаю-щего нормативы по содержанию 137Cs, уменьшилось с 18 % в 1986 г. до 0,5 % в 1996 г. , а мяса с – 4,3 % до 0,001 % соот-ветственно. Однако следует учитывать, что требования респу-бликанских нормативов по содержанию радионуклидов мно-гократно превышают доаварийный уровень.

115

Ãëàâà 8

ÀËÜÒÅÐÍÀÒÈÂÍÛÅ ÑÈÑÒÅÌÛ ÇÅÌËÅÄÅËÈßÈ ÈÕ ÝÊÎËÎÃÈ×ÅÑÊÎÅ ÇÍÀ×ÅÍÈÅ

8.1. Îáùèå ïîëîæåíèÿ

Наряду с традиционными приемами ведения сельского хо-зяйства во многих странах развивается альтернативное земле-делие, основанное на строгом соблюдении научных рекомен-даций по освоению природно-ресурсного потенциала сельско-хозяйственных угодий и более умеренном использовании фак-торов интенсификации с целью уменьшения техногенных воздействий на агроэкосистемы, а также сохранения функцио-нальных компонентов динамического равновесия, составляю-щих агроэкосистемы.

Вовлекая в интенсивную эксплуатацию около 10 % суши, сельскохозяйственное производство существенно, а в ряде случаев и решающе, влияет на развитие деградационных про-цессов в окружающей природной среде. При определенных условиях факторы интенсификации, например внесение мине-ральных удобрений в дозах, превышающих нормативные по-требности, избыточное использование химических средств за-щиты растений и регуляторов роста, внедрение одновидовых посевов на больших площадях и т.д., приводят к нарушению экологического равновесия, «блокируют» функциональные возможности природного биоэнергетического по тенциала аг-роэкосистем.

Основа альтернативного (биологического) земледелия – со-кращение до разумного минимума внешнего антропогенного воздействия на агроэкосистему, создание максимума благо-приятных предпосылок для полноценного использования ее собственного биопотенциала.

Цели и основные направления альтернативного земле-делия. Четко разграничить альтернативное (биологическое) и традиционное земледелие достаточно сложно. Между ними существуют плавные переходы.

Тем не менее цели альтернативного (биологического) зем-леделия можно свести к следующим: сохранение и повышение плодородия почвы; защита окружающей природной среды;

116

активизация круговоротов веществ и переноса энергии в агро-экосистемах; снижение материало- и энергоемкости получае-мой продукции; экономия ресурсов невосполнимой энергии; улучшение качества производимой продукции; производство гарантированного количества продукции; обеспечение устой-чивости агроэкосистем.

Альтернативное земледелие развивается в органическом, био-динамическом, органобиологическом и других направлениях.

8.2. Ðàçâèòèå àëüòåðíàòèâíîãî çåìëåäåëèÿ

Органическое земледелие. При ведении его исключается или существенно сокращается применение минеральных удо-брений и пестицидов. Широко распространено в США. Прие-мы органического земледелия обеспечивают рациональное ис-пользование природных ресурсов, минимальное снижение (а в отдельных случаях и повышение) урожайности кукурузы и сои при неблагоприятных почвенно-климатических условиях, эффективное использование природной энергии при выращи-вании пшеницы, кукурузы, картофеля и яблок. Однако при этом увеличиваются трудовые затраты (на 12–20 %), снижает-ся производительность труда (на 22–95 %), возможно умень-шение урожайности (например, пшеницы – до 43 %).

В органическом земледелии США обычным для севообо-ротов является чередование бобовых культур с культурами, ха-рактеризующимися высокой потребностью в азоте. Почву об-рабатывают без оборота пласта (дискование, щелевание и т.п.). От насекомых растения защищают энтомофаги: златоглазка, трихограмма, хищные клещи, а также биопрепараты. Так, про-тив чешуекрылых применяют бактериальный штамм Bacillus thuriginesis, который является активным компонентом в боль-шинстве промышленных препаратов. Против колорадского жука эффективен грибной препарат боверин, в состав которо-го входит гриб Beaveria bassiana. При попадании в организм насекомого гриб выделяет токсины – боверицин и циклоде-пепсипептид. Хорошо зарекомендовали себя инсектициды растительного происхождения, а также специальные ловушки с аттрактантами для чешуекрылых, а против болезней – рас-тительные составы и слаботоксичные препараты. В органиче-ском земледелии минеральные азотные удобрения заменяют высококачественными органическими (навозом, компостом, зеленными удобрениями).

117

В данной системе земледелия широко используют мине-ральные удобрения, имеющие слабую растворимость в воде.

Считают, что полную отдачу от органического удобрения можно получить, если применять его в биологически благопри-ятное время, а форма удобрения максимально способствует наилучшему усвоению питательных веществ агроэкосистемой.

В первую очередь это относится к компосту. Приготовле-ние компостов имеет огромное гигиеническое значение. При компостировании происходит инактивация многих возбудите-лей болезней. При высокой температуре внутри компостной кучи гибнут бактерии, вызывающие поражение культурных растений. Исследования показали, что яйца фитогельминтов погибают через 5–6 сут после начала процесса активного ком-постирования, а семена многих сорняков теряют всхожесть, т.е. можно предельно минимизировать использование герби-цидов, применяя агротехнические приемы.

Биодинамическое земледелие. Развитие данного типа земледелия приходится на конец 30-х гг. прошлого столетия. В общей структуре сельскохозяйственных предприятий Запад-ной Европы оно составляет менее 1 %.

Биодинамическое земледелие – наиболее давнее организо-ванное движение в сельском хозяйстве. С начала своего станов-ления это направление объединяло биологический, техниче-ский, экономический и социальный аспекты сельского хозяй-ства. Начиная с 1928 г. биодинамическое движение впервые организовало продажу сертифицированных продуктов питания. (Продукция соответствующих ферм носит марку «Деметр».)

В данном случае проблему земледелия рассматривают ком-плексно, т.е. сельское хозяйство, человек, окружающая среда, космос, а также их взаимовлияние. Минеральные удобрения и пестициды не применяют вообще. Для борьбы с болезнями растений широко используют препараты растительного проис-хождения: настои тысячелистника, крапивы, ромашки, вале-рианы и т.д.

Основоположником биодинамики является немецкий уче-ный Р. Штейнер (1861–1925).

Биодинамические фермы создают по подобию организма. Термин «организм» – центральный в биодинамике. Обычно под организмом понимают отдельное растение или животное. Однако сообщества растений и животных, система растение – почва и даже более крупные экологические единицы могут иметь некоторые характерные признаки организма.

118

Биодинамические фермы стремятся обеспечить себя удо-брениями и кормами. В качестве удобрений здесь используют различные компосты и специальные минеральные добавки (кремний, роговую муку, костную муку, известняки и др.).

В защите растений применяют препараты на основе кремния, а также биодинамические препараты на растительной основе.

Элементы биодинамики приводятся в астрологических ка-лендарях. Противники системы биодинамического земледелия считают, что оно целесообразно лишь при относительно низ-кой продуктивности агроценозов.

Органобиологическое земледелие. Это направление рав-нозначно экологическому, альтернативному и биологическому. В основе его лежит идея о том, что минеральные вещества из почвы поглощаются не только в форме ионов, но и в форме ма-кромолекул (микросом) и служат питательным веществом для почвенных микроорганизмов, которые перерабатывают труд-ноусвояемые соединения в легкодоступные для растений фор-мы. Главное в органобиологическом земледелии – повышение плодородия почвы за счет управления питанием путем активи-зации почвенной микрофлоры, для чего компосты вносят по-верхностно, а при обработке верхних слоев стремятся сохра-нить структуру почвы. Защита растений от вредителей и болез-ней осуществляется так же, как и в органическом земледелии.

Свойства почвы улучшают, прежде всего, путем возделыва-ния травяных смесей в севооборотах. Смеси должны содер-жать семена холодостойких растений. Состав смесей, напри-мер, может быть таким, как в табл. 8.1.

Таблица 8.1. Состав травяных смесей

Культура Семена, кг/га

Чина 20Гречиха 15Вика мохнатая 10Горчица белая 10Клевер пунцовый 6Донник 6Горох 5

Зеленая масса травяной смеси является, кроме того, хоро-шим кормом. При отсутствии в хозяйствах скота скошенную зеленую массу вывозят и компостируют. Непосредственное

119

внесение зеленой массы в почву нерационально. После таких смесей на рекультивированном поле получают высокие уро-жаи картофеля и свеклы.

Следует отметить, что при использовании данных систем земледелия не исключена возможность применения удобрений (известняка, бентонитов, фосфатов, костной муки и др.), со-держащих в своем составе минеральные элементы в труднора-створимой форме.

Система ANOG. По сравнению с другими, эта система ближе к традиционному сельскому хозяйству. Она получила условное название «близкое к природе» и в основном совпада-ет с органобиологическим земледелием. Исходя из научного анализа состояния почв, для каждого хозяйства разрабатывают индивидуальные планы внесения органических удобрений. Допускается применение всех синтетических препаратов (кро-ме гербицидов), но при тщательном контроле содержания остаточных количеств химикатов в продукции.

8.3. Ýêîëîãè÷åñêèå îñîáåííîñòè âåðìèêóëüòóðû

Попытки повышения продуктивности сельскохозяйствен-ного производства на сугубо технократической основе оказа-лись в значительной степени тупиковыми. И первопричина тому – глубокий разрыв между антропогенными технологиями и законами функционирования экологических (в том числе и агроэкологических) систем, отсутствие оценки возможных по-следствий применяемых технологий для тех или иных природ-ных комплексов.

В последние годы во многих странах довольно широкое распространение получило одно из новых направлений био-технологии – вермикультивирование, заключающееся в про-мышленном разведении некоторых форм дождевых червей (от лат. Vermes – червь).

Формирование и развитие данного направления обусловле-но возможностью решения на биологической основе ряда ак-туальных экологических задач (утилизации органических от-ходов, повышения плодородия почвы, получения высококаче-ственного чистого органического удобрения, выращивания безопасной сельскохозяйственной продукции и др.).

Метод вермикультуры существенно ограничивает либо исклю-чает опасность загрязнения среды различными поллютантами.

120

Особый интерес к вермикультивированию проявляют сто-ронники так называемого альтернативного земледелия, ратую-щие за отказ от применения минеральных удобрений и пести-цидов и призывающие к широкому использованию компостов, способных поддерживать на высоком уровне биологическую активность почвы.

Первые хозяйства по искусственному разведению червей на отходах были созданы более полувека тому назад в США. (Чер-вей разводили с целью получения наживки для рыбной ловли.)

В настоящее же время практика применения заметно рас-ширилась, распространившись как в сельском хозяйстве, так и в других отраслях производства.

Биологическая характеристика вермикультуры. Верми-культура – компостные черви в органическом субстрате. Не-редко под этим термином подразумевают исключительно чер-вей или, наоборот, только субстрат. Вермикультуру можно представить как сложное биоценотическое сообщество, огра-ниченное определенным биотопом в составе культурного ландшафта.

Черви объединяют несколько типов групп беспозвоночных, среди которых коловратки, нематоды, энхитреиды, кольчатые и дождевые черви. Именно последние имеют большое значе-ние в почвообразовательном процессе, в формировании и под-держании плодородия почв.

Дождевые (земляные) черви – самые крупные обитатели почв среди беспозвоночных, входящие в состав почвенной ма-крофауны, на их долю приходится не менее половины всей биомассы почвы. Например, в лесных экосистемах масса чер-вей составляет от 50 до 72 % всей почвенной биомассы.

Большинство дождевых червей, распространенных на тер-ритории нынешнего СНГ, относится к семейству люмбрицид (Lumbricidae), которое включает около 180 видов.

В целом же наиболее массовыми являются 15–16 видов, среди которых заметно доминирует вид Nicodrilus caliginosus. Обитает он обычно в распаханных почвах. Отсюда и название «пашенный червь».

Средний размер дождевого червя 9–13 см в длину (на Кав-казе встречаются черви длиной 45 см).

Плотность дождевых червей достигает в среднем 120 осо-бей на 1 м2, а биомасса – 50 г на 1 м2 (при массе тела одного червя 0,5–1,5 г). В благоприятные периоды плотность пашен-ного червя может составить 400–500 экземпляров на 1 м2.

121

Главный источник питания червя – растительные остатки. Не случайно присутствие его можно рассматривать как тест на обогащенность почвы органическим веществом. Дождевые черви, роясь в почве, значительно влияют на ее свойства. Они способствуют перемешиванию и разрыхлению земли, нако-плению органических веществ, образующих гумус. Для гуми-фикации особо важны два фактора – воздух и влажность. До-ждевые черви улучшают аэрацию почвы, облегчают доступ влаги, усиливают процессы гумусообразования, нитрифика-ции и аммонификации.

В природной обстановке в размножении люмбрицид отме-чается сезонность. Максимум в интенсивности этого процесса наблюдается весной и осенью.

Черви могут голодать 2,5 мес. При низких температурах (0–5 °С) период голодания увеличивается до 3–4 мес.

Они влаголюбивы, умеренно теплолюбивы. Оптимальная температура для питания составляет 20–25 °С, для размноже-ния – 12–17 °С. Нуждаются в аэрации.

Для культивирования червей непригодны песчаные и гли-нистые, кислые и засоленные почвы. Оптимальной реакцией среды является нейтральная или слабокислая. Достаточно ве-лико значение червей в облагораживании почв. Осознание это-го предопределило большой интерес к их искусственному культивированию. Так, в результате многолетней селекцион-ной работы, проведенной американскими исследователями, в 1959 г. в Калифорнии была выведена новая разновидность до-ждевого червя, получившая название «калифорнийский гибрид красного червя» или просто «калифорнийский красный червь». С 1979 г. его стали размножать в Западной Европе, Японии.

По плодовитости и активности гибрид существенно пре-восходит обычного дождевого червя и в отличие от него хоро-шо поддается выращиванию в искусственных условиях.

В отличие от своих диких сородичей калифорнийский ги-брид является «домоседом». При наличии пищи черви не рас-ползаются и потребляют в день ее примерно столько же, сколь-ко весят сами. Селекционеры генетически запрограммировали гибрид на круглосуточную переработку отходов с высоким ко-эффициентом полезного действия (40 % потребляемой пищи расходуется в процессе жизнедеятельности, а 60 % после пе-реваривания выделяется в виде экскрементов – копролитов, т.е. продуцируемого биогумуса).

122

Значение дождевых червей в агроэкосистемах. Заглаты-вая кусочки органического вещества, черви трансформируют его в кишечной полости и выделяют в виде копролитов – «ка-менных» экскрементов. Копролиты улучшают почвенную структуру в результате обволакивания стенок почвы слизью, что предохраняет ее, например, даже от размывания водой. Под действием копролитов меняется также биохимический состав почвы. Они содержат в 5 раз больше биологического азота; в 7 раз богаче фосфором и в 11 раз калием по сравнению с поверхностным слоем плодородной огородной почвы. В ко-пролитах сосредоточивается значительное количество каль-ция, что обеспечивает хорошую водопрочную структуру и вы-сокую водоудерживающую способность. Наряду с этим каль-ций снижает кислотность среды и создает условия, затрудняю-щие развитие болезней растений, например фузариоза, ржавчины, бактериоза и др.

Возле копролитов энергично развивается полезная микро-флора. В итоге улучшаются условия жизни растений. Дожде-вые черви, как и другие живые организмы, обогащают почву макро- и микроэлементами, ростовыми веществами, антибио-тиками. Фермент протеаза, входящий в состав биомассы чер-вя, обладает биостимулирующим действием, улучшает усвояе-мость пищи животным, способствует ускорению их роста, ак-тивизирует физиолого-биохимические процессы в организме.

Общая длина ходов червей превышает 1 км под 1 м2 по-верхности почвы. Приняв среднюю массу червя за 0,5 г, а чис-ло их на 1 м2 50 особей (500 000 экземпляров на 1 га), нетруд-но подсчитать, что за 1 сут через кишечник червей на площади 1 га проходит 250 000 г (0,25 т) земли. Если предположить да-лее, что активная деятельность червей продолжается 200 дней в году, то количество земли, прошедшее через их кишечник, составит 50 т на 1 га (0,25 × 200). Учитывая же, что в 1 м2 по-чвы обитает 400–600 особей, получаем, что за год черви пере-рабатывают от 400 до 600 т/га земли.

8.4. Áèîãóìóñ è åãî àãðîýêîëîãè÷åñêàÿ îöåíêà

Препараты, получаемые на основе использования чер-вей. Биогумус. Агроэкологическая оценка. На основе культу-ры червей изготовляют ценнейшее органическое удобрение, по-лучившее в обиходе название «биогумус». (Это, разумеется, су-губо рекламное название вырабатываемого червями продукта.)

123

Биогумус представляет собой комковатое микрогрануляр-ное вещество коричнево-сероватого цвета с запахом земли. Он содержит в хорошо сбалансированной и легкоусвояемой фор-ме все необходимые для питания растений вещества. Среднее содержание сухой органической массы в биогумусе составля-ет 50 %, а гумуса – 18 %; реакция среды, благоприятная для растений и микроорганизмов, – рН 6,8–7,4; среднее значение общего азота достигает 2,2 %; фосфора – 2,6; калия – 2,7 % и т.д. Кроме того, в биогумусе представлены практически все необходимые микроэлементы и биологически активные веще-ства, среди которых ферменты, витамины, гормоны, ауксины, гетероауксины и др.

В лучших образцах биогумуса в 1 г насчитывается до не-скольких миллиардов клеток микроорганизмов, что значитель-но превышает численность микробов в навозе (примерно 150–350 млн клеток). Биогумус отличается высокой ферментатив-ной активностью, особенно оксидередуктаз.

Следует отметить, что содержащееся в биогумусе органиче-ское вещество в значительном количестве представлено гумино-выми кислотами (31,7–41,2 %) и фульвокислотами (22,3–34,8 %).

Среди гуминовых кислот преобладает наиболее ценная фракция – гуматы кальция (43,3–47,6 %). Наличие в вермиком-посте фульватно-гуматного типа гумуса способствует форми-рованию агрономически ценной структуры почвы. Элементы питания, находящиеся в биогумусе, взаимодействуя с мине-ральными компонентами почвы, образуют сложные комплекс-ные соединения. Поэтому они надежно сохраняются от вымы-вания, медленно растворяются в воде, обеспечивая питание растений в течение длительного времени (не менее 2–3 лет). Считается, что в 1 т биогумуса содержится в среднем 45 кг пи-тательных элементов (NPK) и что нередко биогумус по своей питательной ценности превосходит органические удобрения.

Ценные свойства биогумуса при применении его благо-приятно сказываются на формировании урожайности сельско-хозяйственных культур, стимулируют улучшение качества по-лучаемой продукции. Установлено, например, что благодаря биогумусу прибавка урожая зерновых составляет 30–40 %, картофеля – 30–70 и овощных – 35–70 %.

При переработке червями 1 т органических отходов в пере-счете на сухое вещество получают 600 кг биогумуса, осталь-ные 400 кг трансформируются в 100 кг полноценного белка в виде биомассы червей.

124

В результате обобщения и анализа накопленных материа-лов были сформулированы основные агроэкологические свой-ства биогумуса:

биогумус превосходит традиционные органические удо- брения по действию на рост, развитие и урожайность различ-ных сельскохозяйственных культур;

элементы питания в биогумусе находятся в органической форме, что надежно предотвращает их вымывание и способ-ствует пролонгированному действию;

доступность элементов питания в биогумусе значительно лучше, что обусловлено содержанием большинства необходи-мых для растений элементов в хорошо усвояемой форме;

оптимальная реакция среды, формируемая наличием био- гумуса, создает, в свою очередь, более благоприятную среду для развития растений;

биогумус характеризуется высокой буферностью, поэто- му не создается избыточная концентрация солей в почвенном растворе, что обычно происходит при внесении высоких доз минеральных удобрений;

богатство полезной микрофлоры в биогумусе существен- но увеличивает его питательное и фитосанитарное значение для высших растений;

отсутствие семян сорной растительности минимизирует в последующем необходимость механической или химической борьбы с сорняками;

содержание в биогумусе биологически активных веществ (ауксинов, гетероауксинов и др.) уменьшает стрессовое состо-яние растений, особенно рассады, увеличивает приживаемость, ускоряет прорастание семян, повышает устойчивость растений к заболеваниям и т.д.

Перспективы применения биогумуса как удобрения пролонгированного действия для производства экологи-чески безопасной сельскохозяйственной продукции. Спо-собность дождевых червей изменять поведение токсикантов в системе почва – растения или снижать вовлечение в био-логический круговорот веществ в концентрациях, пред-ставляющих опасность для живых организмов, позволяет получать с помощью биогумуса экологически безопасную сельскохозяйственную продукцию. Так, даже при наличии тяжелых металлов в биогумусе они содержатся в виде ком-плексных соединений хелатного типа, что делает их мало-доступными растениям.

125

Установлена также возможность червей и биогумуса свя-зывать радионуклиды, находящиеся в почве и органических удобрениях, резко уменьшать поступление тяжелых металлов в растения.

По данным Уральского НИИ сельского хозяйства, в опытах с картофелем содержание радионуклидов в клубнях уменьша-лось в 5–9 раз при внесении 6 т/га биогумуса.

Выявлено положительное влияние биогумуса на уменьше-ние содержания нитратов в сельскохозяйственной продукции и улучшение ее пищевой ценности при одновременном увели-чении урожайности. Например, включение в состав теплично-го грунта 20 % биогумуса способствовало приросту урожай-ности (огурцов, томатов) от 10 до 30 %. При этом содержание витамина С повысилось на 8–23 %, а содержание нитратов снизилось на 19–60 %.

Возможности использования вермикультуры в живот-новодстве и медицине в качестве продуктов питания. На-ряду с производством биогумуса вермикультура, как свиде-тельствуют отечественные и зарубежные исследования, пер-спективна для более разностороннего использования в хозяй-ственных целях. Предпосылкой тому могут служить высокая питательная ценность биомассы, содержание некоторых ве-ществ, препятствующих возникновению и развитию ряда за-болеваний, и пр.

Рассматривая возможности использования вермикультуры в животноводстве, целесообразно принимать во внимание, что 1 т органической пищи, как уже было сказано, при переработ-ке ее червями дает кроме 600 кг гумусового удобрения 100 кг биомассы червей. Сухое вещество тканей червей составляет 17–23 %. Содержание протеина (сырого) достигает 60 %, ли-пидов – 6–9, азотных экстрактивных веществ – 7–16 %. Из тела червей после соответствующей обработки получают белковую муку, которая по аминокислотному составу прибли-жается к мясной, превосходя ее по содержанию всех незаме-нимых аминокислот (за исключением глицина).

Добавление биомассы червей в рацион сельскохозяйствен-ных животных способствует увеличению выхода продукции и улучшению ее качества.

Небезынтересны возможности применения вермикультуры в медицине, фармакологии, косметической промышленности. Различные типы экстрактов червей используют как медицин-ские препараты, в качестве защитной косметики для кожи и др.

Так, на основе экстракта из вермикультуры разработана мазь, которая эффективна при лечении лишая, экземы, варикозной язвы нижних конечностей. Получены препараты, применяе-мые при глазных заболеваниях, и т.д.

В китайской медицине земляных червей используют около 2 тысячелетий. И уже в последнее время здесь с помощью со-временных методов и технологий изготовлены антивирусная и антиопухолевая сыворотки.

Таким образом, вермикультивирование следует рассматри-вать как перспективное направление, позволяющее формиро-вать и развивать экологические основы сельскохозяйственного производства посредством рационального использования при-родных возможностей, базирующегося на значительной акти-визации деятельности живых организмов, на управлении этой деятельностью. Применение в качестве удобрения продукта переработки отходов производства с помощью вермикультуры существенно уменьшает затраты на обогащение питательны-ми веществами земель сельскохозяйственного назначения. При этом повышаются предпосылки получения экологически безопасной продукции и (что крайне важно) создаются усло-вия для утилизации (с большой пользой) значительных объе-мов органических отходов.

127

Ãëàâà 9

ÔÈÒÎÑÀÍÈÒÀÐÍÛÅ ÎÑÎÁÅÍÍÎÑÒÈ ÀÃÐÎÝÊÎÑÈÑÒÅÌ

9.1. Îñîáåííîñòè íàêîïëåíèÿ âîçáóäèòåëåé áîëåçíåé, âðåäíûõ íàñåêîìûõ è ñîðíÿêîâ â àãðîýêîñèñòåìàõ

В настоящее время существенный вред культивируемым растениям наносят примерно 1,5 тыс. различных возбудителей болезней, более 10 тыс. видов насекомых, 1,5 тыс. видов не-матод и свыше 1,8 тыс. видов сорняков. Подсчитано, напри-мер, что в США урожайность сельскохозяйственных культур может снижаться под влиянием 160 видов бактерий, 250 вирусов, 8 тыс. патогенных грибов, 8 тыс. насекомых и 2000 сорняков.

Более чем 30-летний опыт активной химической борьбы с вредными видами фауны и флоры показал полную бесперспек-тивность одностороннего, базирующегося преимущественно на использовании пестицидов, подхода к обеспечению эколо-гического равновесия в интенсивных агроэкосистемах. Несмо-тря на значительный рост количества и ассортимента приме-няемых пестицидов, вредные насекомые, болезни, сорняки, нематоды ежегодно уничтожают до 40 % потенциальной сель-скохозяйственной продукции, стоимость мировых потерь ко-торой оценивается в 12–25 млрд дол. Так, даже в США еже-годные потери от болезней, вредителей и сорняков составляют около 20–25 % стоимости получаемой сельскохозяйственной продукции. При этом на посевах ячменя и пшеницы только из-за поражения болезнями теряется более 1/3 потенциального урожая, а убыток от засоренности полей превышает 8 млрд дол. в год. С увелечением интенсивности и масштабов химической защиты агроценозов значительно возрастает вредоносность некоторых видов насекомых и сорняков, увеличивается также число вредоносных возбудителей болезней, зарегистрирован-ных на сельскохо зяйственных посевах.

В отличие от культивируемых растений вредные виды фау-ны и флоры, вследствие высокой гетерогенности их популя-ций, обладают громадным потенциалом приспособляемости как к неблагоприятным условиям внешней среды, так и к боль-шинству факторов интенсивного растениеводства. Им присущ высокий потенциал не только онтогенетической, но и филоге-нетической адаптации, в том числе способность образовывать

128

устойчивые к пестицидам расы, штаммы, экотипы. Процесс накопления возбудителей болезней и вредителей в агроцено-зах значительно усиливается при орошении, использовании высоких доз азотных удобрений и загущении посевов, а также в случаях перехода к монокультуре или севооборотам с корот-кой ротацией. Чем однотипнее по видовому составу культиви-руемых растений агроэкосистема, чем больше площадь одно-видового массива, тем выше вероятность их поражения вред-ными видами и тем ниже эффективность локальной и краевой химической обработки.

Помимо негативного влияния на экологическое равновесие, пестициды могут снижать потенциальную продуктивность и экологическую устойчивость агроценозов. Так, обработка расте-ний томата гидразидом малеиновой кислоты, хотя и уменьшает поражение альтернариозом, но ослабляет отток сахаров из листьев, усиливая их накопление в клетках листовой пластинки.

Использование пестицидов нередко индуцирует проявле-ние так называемых ятрогенных болезней растений. Например, обработка посевов сахарной свеклы цинебом или пироцином в 3–4 раза снижает развитие церкоспороза, но одновременно в 6–7 раз увеличивает пораженность растений мучнистой росой.

Применение гербицида симазина на посевах кукурузы способствует усилению развития ржавчины и ряда других заболеваний.

Систематическое использование гербицидов существенно изменяет видовой состав и численность сорной раститель-ности в агроэкосистемах. При этом нередко ускоряется рас-пространение новых, более вредоносных сорняков. Так, дли-тельное (в течение 12–15 последних лет) внесение противо-злакового гербицида ДХМ (дихлоральмочевины) на сахар-ной свекле в условиях Молдовы значительно усилило засоренность посевов двудольными сорняками, что, в свою очередь, сопровождалось постоянным увеличением плотно-сти корневой тли, маревой щитоноски и лугового мотылька. Постоянное применение гербицидов на посевах кукурузы, хотя и позволило очистить их от многих злаковых сорняков, привело к широкому распространению ранее маловредонос-ного проса волосовидного. Все больший вред наносят и та-кие устойчивые к гербицидам виды сорняков, как лебеда и райграс французский, особенно при монокультуре кукурузы.

Аналогичные тенденции характерны и для вредных видов фауны. Например, в США, где насчитывается около 10 тыс. видов вредных насекомых и клещей, интенсивную борьбу ве-

129

дут в основном со 100 видами, причем на борьбу с 10 из них затрачивается около 90 % всех химических средств. Стреми-тельный рост численности примерно 50 вредных видов насеко-мых обусловлен тем, что применение инсектицидов резко сни-зило количество их естественных врагов, восстановление чис-ленности которых происходит обычно медленнее, чем популя-ций их жертв. Так, на посевах сахарной свеклы в последние годы увеличилась вредоносность свекловичной нематоды и тли (уничтожающих до 30 % урожая), тогда как хищные нематоды, ограничивающие численность вредных видов, не могут при-способиться к новым условиям и выпадают из состава фауны.

Как уже отмечалось, снижение устойчивости растений к абиотическим стрессам обычно уменьшает их толерантность к биотическим стрессам, и наоборот. Применение высоких доз азотных удобрений на зерновых культурах, особенно при их загущении, способствует повышению восприимчивости рас-тений к ложной мучнистой росе и ржавчине. Показано, что и численность отдельных видов вредителей (злаковая тля, трипсы, цикадки) на посевах озимой пшеницы при внесении высоких доз азотных удобрений значительно возрастала.

Улучшение водного режима агроценозов за счет орошения благоприятствует размножению патогенов в такой же мере, как и росту растений. Вспашка и междурядная обработка, ве-гетативное размножение растений также значительно увели-чивают распространение заболеваний, особенно вирусных.

Усиление генетической «уязвимости» интенсивных агро-экосистем связано с уменьшением числа используемых видов растений и всевозрастающей генетической однородностью сортов и гибридов. Если в соответствии с археологическими данными на протяжении своей истории человек окультурил свыше 5 тыс. видов высших растений (из примерно 80 тыс. потенциально пригодных для окультурирования), то в настоя-щее время большую часть своих потребностей в калориях и белке он удовлетворяет за счет возделывания 20–30 видов.

В древности пища была значительно разнообразнее по сравнению с продуктами питания населения цивилизованных стран, где весь кажущийся большим ассортимент представля-ет собой, по существу, многочисленные комбинации весьма ограниченного числа исходных пищевых продуктов.

Ориентация на уменьшение генетического разнообразия агроэкосистем и применение все большего количества пести-цидов позволяет добиваться лишь кратковременного успеха,

130

усугубляя ситуацию в целом. Нарушение экологического рав-новесия в интенсивных агробиогеоценозах оказывается как бы «выгодным» вредным видам фауны и флоры, способным к бо-лее быстрому по сравнению с конкурирующими с ними полез-ными видами восстановлению численности своих популяций после обработки пестицидами. Кроме того, широкое примене-ние пестицидов и устойчивых к болезням и вредителям сортов создает общий фон, усиливающий темпы естественного отбо-ра в гетерогенных популяциях вредных видов, в результате чего некоторые из них получают массовое распространение.

9.2. Ñòðàòåãèÿ çàùèòû àãðîöåíîçîâ îò âðåäíûõ âèäîâ

Основа адаптивной стратегии борьбы с вредителями, бо-лезнями и сорняками – интегрированная система защиты рас-тений, основными компонентами которой наряду с химиче-скими средствами являются севооборот, широкое использова-ние устойчивых сортов и гибридов, комплекс агротехнических мероприятий, конструирование экологически устойчивых аг-роценозов и агроэкосистем. При этом борьба с вредными ви-дами фауны и флоры рассматривается как составная часть си-стемы управления агроэкосистемой в целом.

В последний период для защиты агроценозов и агроэкоси-стем все большее внимание уделяется их конструированию. Покровные культуры («живая» мульча) улучшают структуру почвы и использование осадков (орошения), предупреждают эрозионные процессы, обогащают почву органическим веще-ством, способствуют сохранению полезных видов фауны (в том числе энтомофагов), улучшают микроклимат (кроме прочего снижают температуру почвы). Причем за счет измене-ния видового состава покровных культур (из бобовых: люцер-на, клевер, вика, донник, горох озимый; из злаковых: горчица, рожь, костер, райграс, мятлик) можно управлять числен-ностью популяций полезных и вредных видов фауны и фло-ры. Особенно эффективным в этом плане оказывается исполь-зование смешанных посевов и сидератов. Так, подсев в меж-дурядья капусты клевера ползучего и клевера лугового умень-шает поражение растения-хозяина капустной тлей благодаря увеличению численности жужелиц; в смешанных посевах ку-курузы и фасоли снижается поражение кукурузы цикадками, листоедом, совкой травянистой; занятие междурядий персико-вых садов клубникой уменьшает повреждение деревьев листо-

131

верткой, использование бобовых культур на зеленые удобрения снижает численность популяций грибов и нематод, подсев бо-бовых культур к кукурузе, капусте, томату подавляет сорняки.

Особого внимания при конструировании агроэкосистем за-служивают растения-репелленты, выделяющие отпугивающие насекомых вещества. Так, возделывание злаковых трав вокруг посевов фасоли снижает их поражение цикадками. Перспек-тивны и культуры-«ловушки».

Например, для борьбы со свекловичной нематодой исполь-зуют pанние посевы крестоцветных с последующей их запаш-кой. В условиях поликультуры нередко снижается поражение культивируемых растений возбудителями болезней и вируса-ми вследствие меньших темпов накопления и распростране-ния инокулюма и вирусов под влиянием микроклимата – из-менения влажности, температуры, освещенности.

Конструирование агроэкосистемы по принципу севооборо-та, т.е. последовательного возделывания разных культур во времени и пространстве, оказывает решающее влияние не только на плодородие почвы, но и на выживание фитопатоге-нов, нематод, насекомых, сорняков.

В качестве действенного средства борьбы с вредными орга-низмами издавна используются и разные способы обработки почвы. В этой связи необходимо учитывать, что переход, на-пример, к минимальной обработке почвы приводит к такому изменению видового состава сорняков, при котором получают широкое распространение ботанически близкие к возделывае-мой культуре виды сорной растительности. Поскольку в рас-тительных остатках, сохраняющихся на поверхности почвы, создаются лучшие условия для выживания, роста и размноже-ния фитопатогенов, вероятность возникновения эпифитотий возрастает. При минимальной обработке повышается выжива-ние и насекомых-вредителей, возрастает их разнообразие. В то же время снижение температуры (на 1–4 °С) и большая влаж-ность почвы в данных условиях уменьшают поражение расте-ний кукурузы стеблевой гнилью. Показано также, что пожнив-ная солома (мульча) снижает численность белокрылки, являю-щейся переносчиком вируса. В целом минимальная обработка почвы приближает агроценозы к естественным экосистемам, способствуя не только сохранению органических веществ, но и активации почвенных микроорганизмов и беспозвоночных.

Многочисленные данные свидетельствуют о том, что в условиях использования высоких доз азотных удобрений, оро-

132

шения и потенциально высокоурожайных сортов и гибридов (конкурентоспособность которых обычно снижена) существен-ное уменьшение урожайности связано с засоренностью полей.

К числу особо вредоносных для сельскохозяйственных культур относится около 250 видов сорняков, обычно характе-ризующихся высокой семенной продуктивностью, а также способностью сохранять жизнеспособность семян в течение десятков лет. Наибольший вред сорняки наносят в первую треть вегетации культивируемых растений.

Многие сорняки являются резерваторами вредителей. Так, более 70 семейств членистоногих, поражающих культивируемые виды растений, используют сорняки в качестве кормовой базы.

В то же время и полезная энтомофауна нередко приурочена к сорным растениям. Причем имеющиеся данные свидетель-ствуют о том, что массовое распространение сельскохозяй-ственных вредителей с большей вероятностью происходит на незасоренных, чем на засоренных, полях. Поэтому зависи-мость урожайности от плотности популяций сорняков оказы-вается не линейной, а сигмоидальной: низкая плотность попу-ляции сорняков обычно не влияет на урожайность, а некото-рые виды сорняков даже стимулируют рост растений-хозяев.

Необходим системный подход к управлению динамикой численности популяций сорняков. В частности, следует учи-тывать разную конкурентоспособность зерновых колосовых культур (овес > пшеница > ячмень), которая может быть уси-лена за счет большей густоты стояния растений и прежде все-го большей нормы высева.

В настоящее время все более утверждается мнение, что борьба с сорняками должна быть интегрированной, причем ориентирующейся на сохранение численности сорняков в пре-делах экономически допустимого порога их вредоносности. Такой подход к борьбе с сорной растительностью включает использование севооборотов, покровных культур и мульчиро-вания, регулирование водного режима, азотного баланса, плот-ности посева, приемов обработки почвы и агротехники (сроки посева, культивации, сочетание видов и сортов с разной скоро-спелостью и, наконец, применение гербицидов). В агроцено-зах необходимо значительно усилить эколого-ценотический контроль, используя гербициды в основном для изменения ха-рактера взаимоотношений между культурными и сорными растениями, усиливая эдификаторную роль первых и ослабляя конкурентную способность вторых.

133

Переход к использованию пестицидов с учетом экономиче-ски допустимого порога вредоносности предполагает полный отказ от «слепых» и «профилактических» обработок посевов. В специально проведенных опытах были установлены количе-ственные связи между плотностью популяции сорняков, сте-пенью поражения культивируемых растений и экономически допустимым порогом вредоносности.

Использование химических средств защиты считается обо-снованным, если к моменту обработки, например сахарной свеклы, на каждом растении, находящемся в стадии 4-го ли-ста, уже имеется по 6–8 яиц свекольной мухи; на зерновых культурах – при 3 особях тли на каждом колосе в период пол-ного цветения или 5 – во время образования зерна; при пора-жении 30 % поверхности листа шведской мухой и т.д.

Считается, что чем выше урожайность, тем ниже экономи-чески оправданный порог вредоносности и, следовательно, увеличивается потребность применения средств защиты рас-тений. Так, при урожайности пшеницы 55 ц/га химическая об-работка экономически выгодна в том случае, если плотность популяции тли составляет 17 насекомых на соломину, а при 75 ц/га – уже при 4 вредителях на соломину. Причем с ростом урожайности зерновых культур увеличивается вероятность их поражения вредителями и болезнями, т.е. создается ситуация порочного круга («пестицидного синдрома»), при которой од-носторонняя ориентация на химические средства защиты рас-тений требует все большего их применения. Более того, рас-четы порога экономически допустимого вреда с позиций толь-ко окупаемости затрат предполагают, что с ростом урожайно-сти становится «выгодным» применять химические средства защиты даже при незначительной плотности вредителей и воз-будителей болезней. Поэтому в расчетах порога допустимого вреда наряду с экономическими показателями должна учиты-ваться и экологическая ситуация, т.е. гарантированная защита окружающей среды от загрязнения.

В целом же использование прогноза экономически допу-стимых порогов вредоносности позволяет сократить число хи-мических обработок. Так, если первые симптомы заражения растений ярового ячменя мучнистой росой становятся замет-ными уже спустя 30 дней после появления всходов, то вероят-ность массового поражения посева наибольшая. Если же при-знаки заболевания проявляются позже указанного срока – от химической обработки можно отказаться. Благодаря предвари-

134

тельному определению содержания зооспорангий пероноспо-ры хмеля в воздухе удалось сократить число химических об-работок этой культуры в Германии с 14 (от 10 до 20) до 8.

К настоящему времени разработаны весьма надежные ме-тоды прогноза динамики численности популяций насекомых и возбудителей болезней. Например, в Голландии с 1977 г. функ-ционирует система прогнозирования динамики численности возбудителей болезней и вредителей на пшенице, использую-щая методы математического моделирования. Аналогичные системы имеются в Великобритании, Швейцарии и Бельгии. На основе данных о численности популяции паразитов и фак-тически складывающихся погодных условиях с помощью на-блюдений и автоматически действующей дистанционной ап-паратуры здесь разрабатываются прогнозы распространения вредных видов и комплексные меры защиты агроэкосистем. Причем химическая защита проводится лишь при достижении хозяйственно опасной численности вредных организмов («по-рога вредоносности»). Заметим, что в США в 1979 г. была соз-дана межправительственная комиссия по координации инте-грированной защиты агроценозов, а в большинстве стран функционируют службы сигнализации появления болезней и вредителей, благодаря чему удалось значительно уменьшить масштабы загрязнения окружающей среды пестицидами. Так, в Западной Швейцарии за счет использования интегрирован-ных методов защиты число обработок посевов инсектицидами снижено с 7 до 4, а фунгицидами (против парши и мучнистой росы) – с 13 до 11.

9.3. Áèîëîãè÷åñêèå ìåòîäû çàùèòû ðàñòåíèéâ àãðîýêîñèñòåìàõ

Еще в 1930-х гг. ХХ в. внимание исследователей привлекли возможности практического использования биологических методов защиты растений. Гессенская мушка, озимая совка и луговой мотылек подвергаются нападению со стороны соот-ветственно 10, 30 и 41 видов насекомых, которые могут пора-жать растительноядный вид на всех стадиях его развития. Причем популяции хищных насекомых-полифагов при резком количественном уменьшении и даже полном уничтожении одного или нескольких видов-хозяев сосредоточиваются на других вредных видах. Так, в числе хозяев тахины насчитыва-ется несколько десятков видов чешуекрылых.

135

На характер взаимоотношений растений, вредного вида на-секомых и энтомофагов влияет каждый из компонентов био-ценоза. Например, Trichogramma evanscens заражает 80–90 % яиц хлопковой совки (Helionthis obsoleta) на хлопчатнике, тог-да как железистые волоски, густо покрывающие стебель и листья нута, оказываются для трихограммы непреодолимым препятствием. Поэтому выращивать хлопчатник и нут на со-седних полях нежелательно, поскольку последний в условиях использования трихограммы оказывается источником для по-стоянной миграции совки на посевы хлопчатника.

Снижение численности популяций растительноядного вида насекомых сопровождается уменьшением численности соответ-ствующего хищника лишь в том случае, если оба вида являются монофагами. Динамика популяции хищника зависит не только от численности растительноядных видов, но и от количества собственных врагов (вторичных паразитов), особенностей растения-хозяина и факторов абиотической среды. Характерно, что в интенсивных агроэкосистемах Молдовы отмечено сниже-ние численности полезных животных, в том числе пчелиных, мух-тахин, наездников, кокцинелид, жужелиц, муравьев, хищ-ных клещей-фитосбеидов, насекомоядных птиц, млекопитаю-щих при одновременном усилении агрессивности вредных ви-дов: листоверток, тлей, клещей, мышевидных грызунов.

В настоящее время в мире для биологической защиты агро-ценозов наряду с микробными инсектицидами используется около 300 видов энтомофагов. Однако с их помощью удается защитить агроценозы лишь от 150–200 вредных видов насеко-мых из 10 тыс.

Особенно эффективно применение биометодов в крупных специализированных хозяйствах. Увеличение доли многолет-них бобовых культур (люцерны, клевера и др.) в севооборотах, создание лесополос и ремиз, увеличение видового разнообра-зия агроэкосистем обеспечивают условия для размножения полезных насекомых (в том числе энтомофагов), т.е. позволя-ют максимально использовать фактор биологического контро-ля за поддержанием экологического равновесия.

Существенное значение в системе интегрированной защи-ты агроэкосистем имеет и сохранение орнитофауны. При этом за счет птиц можно почти на 70 % уменьшить численность вредных насекомых, а следовательно, значительно сократить число химических обработок (особенно в период миграции

136

вредителей). Так, лишь один выводок перепелов, поселивших-ся на поле сахарной свеклы, очищает эту культуру от свекло-вичного долгоносика на площади до 10 га.

9.4. Îïòèìèçàöèÿ ôèòîñàíèòàðíîãî ñîñòîÿíèÿ àãðîýêîñèñòåì

В оптимизации фитосанитарного состояния агроэкосистем важную роль играет их конструирование, позволяющее обе-спечить целенаправленное регулирование динамики популя-ций полезной орнито- и энтомофауны, а также почвенной зоо-фауны.

При создании полифункциональных лесополос необходимо учитывать адаптивные особенности, фенологию и первичную продуктивность каждого из древесных, кустарниковых и тра-вянистых видов растений.

Видовая структура севооборотов должна включать нектаро-носы, а также виды растений – «биологические санитары» по-чвы. Показано, например, что семенная продуктивность люцер-ны находится в прямой зависимости от пчелиных, которые обра-зуют крупные поселения возле полей люцерны и даже на самих полях при разреженном травостое. Причем сложные по сортово-му составу посевы люцерны обладают большей устойчивостью к повреждающему действию листогрызущих насекомых.

При использовании сортовых смесей озимой и яровой пше-ницы растения не повреждаются ячменной мухой, что позво-ляет повысить урожайность на 38,8 %.

Возделывание репеллентных культур (полынь, шалфей, чеснок и др.) в посевах овощных приводит к уменьшению ко-личества вредных насекомых.

Смена агротехнических приемов, а также различные техно-логии обработки почвы позволяют регулировать численность и вредоносность насекомых. Если внесение высоких доз азота повышает восприимчивость пшеницы и ячменя к мучнистой росе и ржавчине, картофеля к макроспорозу, фитофторозу и парше, а загущение посадок фруктовых деревьев, залужение междурядий, орошение способствуют более сильному разви-тию мучнистой росы, парши и других заболеваний, то соблю-дение севооборота, внесение необходимых доз калийных удо-брений, оптимизация азотного и водного баланса почвы повы-шают устойчивость культивируемых растений к поражению вредными видами. Широкое использование разовой уборки сельскохозяйственных культур уменьшает запас пищи для вре-

дителей и патогенов, прерывает цикл их развития. Синхрони-зация активности корневой системы растений и почвенных микроорганизмов позволяет снизить потери питательных ве-ществ из почвы.

Массовое поражение сельскохозяйственных культур в ин-тенсивных агроэкосистемах, с одной стороны, а также тщатель-ное изучение причин экологического равновесия в естествен-ных фитоценозах – с другой, заставили большинство специали-стов к концу 1950-х гг. ХХ в. пересмотреть стратегию и такти ку борьбы с вредителями и болезнями. Было показано, что за счет формирования гетерогенной видовой и сортовой структуры аг-роэкосистем удается значительно повысить их экологическую устойчивость. В области селекции растений основное внима-ние стали уделять созданию сортов с горизонтальной, или по-левой устойчивостью, препятствующей образованию новых рас патогенов. Аналогичную роль выполняют многолинейные и синтетические сорта, а также смешанные посевы. Для неко-торых регионов (например, для Северной Америки) были раз-работаны континентальные программы, предусматривающие использование десяти генов, обеспечивающих вертикальную устойчивость растений овса к листовой ржавчине.

Однако даже сорта с горизонтальной устойчивостью про-тивостоят лишь среднему давлению возбудителей и поэтому в годы массового поражения для их защиты должны быть ис-пользованы химические средства.

О необходимости перехода именно к интегрированной за-щите растений свидетельствуют и расчеты, согласно которым для выведения устойчивых сортов (гибридов), например куку-рузы, необходимо затратить 65 человеко-лет, пшеницы – 51, хлопчатника – 46, овощных культур – 35, картофеля – 20, овса – 12 человеко-лет. Поэтому защита агроценозов от вредителей, болезней и сорняков должна рассматриваться как часть систе-мы управления экологическим равновесием агроэкосистемы в целом.

138

Ãëàâà 10

ÌÅÒÎÄÈ×ÅÑÊÈÅ ÎÑÎÁÅÍÍÎÑÒÈ ÏÐÎÂÅÄÅÍÈß ÀÃÐÎÝÊÎËÎÃÈ×ÅÑÊÎÃÎ ÌÎÍÈÒÎÐÈÍÃÀ

10.1. Àãðîýêîëîãè÷åñêèé ìîíèòîðèíãâ èíòåíñèâíîì çåìëåäåëèè

Агроэкологический мониторинг является важной состав-ляющей общей системы мониторинга и представляет собой общегосударственную систему наблюдений и контроля за со-стоянием и уровнем загрязнения агроэкосистем (и сопредель-ных с ними сред) в процессе интенсивной сельскохозяйствен-ной деятельности.

Его основная конечная цель – создание высокоэффектив-ных, экологически сбалансированных агроценозов на основе рационального использования и расширенного воспроизвод-ства природно-ресурсного потенциала, грамотного примене-ния средств химизации и т.д.

В задачи агроэкологического мониторинга входят:организация наблюдений за состоянием агроэкосистем; получение систематической объективной и оперативной

информации по регламентированному набору обязательных показателей, характеризующих состояние и функционирова-ние основных компонентов агроэкосистем;

оценка получаемой информации; прогноз возможного изменения состояния данного агроце-

ноза или их системы в ближайшей и отдаленной перспективе;выработка решений и рекомендаций; консультации; предуп-

реждение возникновения экстремальных ситуаций и обоснова-ние путей выхода из них; направленное управление эффектив-ностью агроэкосистем.

Основные принципы агроэкологического мониторинга следующие.

1. Комплексность, т.е. одновременный контроль за тремя группами показателей, отражающими наиболее существенные особенности вариабельности агроэкосистем (показатели ран-ней диагностики изменений; показатели, характеризующие се-зонные или краткосрочные изменения; показатели долгосроч-ных изменений).

139

2. Непрерывность контроля за агроэкосистемой, предусма-тривающего строгую периодичность наблюдений по каждому показателю с учетом возможных темпов и интенсивности его изменений.

3. Единство целей и задач исследований, проводимых раз-ными специалистами (агрометеорологами, агрохимиками, ги-дрологами, микробиологами, почвоведами и т.д.) по согласо-ванным программам под единым научно-методическим руко-водством.

4. Системность исследований, т.е. одновременное исследо-вание блока компонентов агроэкосистемы: атмосфера – вода – почва – растение – животное – человек.

6. Достоверность исследований, предусматривающая, что точность их должна перекрывать пространственное варьиро-вание, сопровождаться оценкой достоверности различий.

7. Одновременность (совмещение, сопряженность) наблю-дений по системе объектов, расположенных в различных при-родных зонах.

В агроэкологическом мониторинге выделяются две взаи-мосвязанные по информационной базе подсистемы: научная и производственная.

Научной базой подготовки исходных данных для примене-ния технологических решений является полигонный агроэколо-гический мониторинг. Такой мониторинг может осуществляться на делянках длительных опытов, постоянных участках слеже-ния, реперных точках. При условии оснащения современными приборами и оборудованием он позволяет проводить фундамен-тальные исследования по широкому спектру вопросов.

Производственная подсистема включает мониторинг всех используемых сельскохозяйственных площадей страны по срав-нительно небольшому набору показателей через 5–15 лет и по-зволяет получить надежную систему сроковых характеристик.

Единая система агроэкологического мониторинга дает воз-можность сосредоточить усилия различных организаций для всесторонних наблюдении и последующей пространственной оценки экологического состояния земель и других базовых элементов агроэкосистем. На этой основе разрабатывается до-статочно объективная система информации для решения крат-ковременных и долговременных агроэкологических задач.

Основные принципы организации полигонного агро-экологического мониторинга. В качестве полигонов для агро-экологического мониторинга используют длительные опыты

140

географической сети. Целесообразность использования таких полигонов определяется тем, что они, как правило, отражают систематическое воздействие на почву и другие компоненты экосистемы наиболее широко распространенного техногенно-го фактора – удобрений и пестицидов, проводятся в строгом соответствии с требованиями единой методики на фоне высо-кой агротехники, рекомендуемой зональными системами зем-леделия. При этом широкий набор вариантов с различной хи-мической нагрузкой позволяет в конечном счете установить экологически оптимальные системы удобрений и средств за-щиты для конкретных почвенно-климатических условий, раз-работать обоснованные нормативы нагрузок, уточнить ПДК и т.д. Таким образом, необходимым (да и, пожалуй, неизбеж-ным) процессам химизации можно придать надлежащую эко-логичность.

Использование в качестве полигонов агроэкологического мониторинга опорных базовых вариантов длительных опытов направлено на эколого-агрохимическую оценку:

различного насыщения почв минеральными удобрениями (особенно азотными);

использования химических средств защиты растений, стимуляторов роста и т.д.;

применения мелиорантов (извести, гипса и др.); органических удобрений, растительных остатков проме-

жуточных культур, сидератов;биологических (без или с минимальным использованием

средств химизации) систем земледелия.Один из методических приемов изучения природной сре-

ды – разделение ее на определенные подсистемы (блоки) в за-висимости от целей эксперимента. В качестве изучаемых ва-риантов, например, целесообразно использовать принятые си-стемы земледелия, обеспечивающие различные уровни про-дуктивности агроэкосистемы. В учреждениях, имеющих хорошую опытную базу для разработки новых, более совер-шенных, позволяющих выйти на заданную продуктивность систем земледелия, агроэкологические проблемы можно ре-шить более масштабно. Такой полигон состоит из трех-четырех вариантов с различными системами земледелия, насыщен-ностью удобрениями и средствами защиты растений и др. На-бор же вариантов при проведении агроэкологического монито-ринга обязательно должен охватывать весь спектр исследуе-мых уровней продуктивности (как оптимальных, так и экстре-мальных). В частности, вариант:

141

с интенсивным возделыванием сельскохозяйственных культур, обеспечивающий максимальную для данных зональ-ных условий продуктивность севооборота на основе исполь-зования прогрессивных технологий (первый уровень продук-тивности);

с использованием интегрированных систем удобрений и средств химической защиты растений, обеспечивающий до-статочно высокую продуктивность на основе низких и средних доз удобрений и «мягких» способов применения химических средств защиты растений по экономическим порогам вредно-сти (второй уровень продуктивности);

с биологическим способом ведения земледелия, основан- ный на использовании лишь органических удобрений, проме-жуточных культур, запашке соломы и т.д., в севооборотах с до-статочным содержанием бобовых для обеспечения всех куль-тур севооборота биологическим азотом при биологической и агротехнической системах защиты растений (третий уровень продуктивности);

соответствующий абсолютному контролю (экстенсивный способ ведения земледелия), отражающий современное есте-ственное плодородие пахотных угодий данной зоны (четвер-тый уровень продуктивности).

В зависимости от конкретных условий можно рассматри-вать варианты с орошением, использованием химических ме-лиорантов и т.д.

Комплексные полигонные опыты позволяют оценить эко-логию тех или иных систем земледелия и технологию возде-лывания культур. Вместе с тем остается нераскрытым значе-ние отдельных приемов и их сочетаний в контексте положи-тельного или отрицательного воздействия на окружающую среду, для изучения которых служат стационарные полевые опыты, причем ценность результатов определяется их дли-тельностью.

Наиболее информативными являются продолжительные многофакторные опыты. Их целесообразно планировать как полные факторные опыты или как выборки из полных схем. Изучая в таких опытах несколько факторов, можно достаточно объективно оценить их раздельное или совместное действие на исследуемые показатели и процессы. Широкий диапазон факторов служит основанием для выбора оптимальных их зна-чений с учетом агрономических и экологических критериев оптимальности.

142

Локальный агроэкологический мониторинг проводят в про-изводственных условиях в опытно-показательных и базовых хозяйствах, расположенных в основных почвенно-кли ма ти-ческих регионах. В его задачи входят: проведение системати-ческих наблюдений за состоянием основных компонентов аг-роэкосистемы (почва – вода – растения) под влиянием интен-сивного применения средств химизации; оценка и прогноз из-менений состояния названных компонентов в зависимости от техногенных нагрузок; изучение и оценка высокоэффективных экологически безопасных технологических приемов в земле-делии и разработка мер по их широкому применению в произ-водственных условиях.

В системе локального мониторинга проходят апробацию основные технологические решения, полученные на поли-гонных объектах. Периодически обследуется почвенный по-кров страны (рН, содержание гумуса, эродированность, за-соленность, содержание подвижных форм N, Р, К). По дан-ным обследований составляют почвенные и агрохимические очерки, в которых дают всестороннюю характеристику зем-лепользования хозяйств и рекомендации по его улучшению. Составляют также картограммы и карты. При проведении таких обследований можно выявить (а затем отразить на картографическом материале) антропогенные, техногенные, эрозионные и другие изменения свойств почв и состояния почвенного покрова.

При сплошном агрохимическом мониторинге предусматри-вают также ежегодную комплексную диагностику минераль-ного питания по основным этапам органогенеза.

Для проведения мониторинга на типичных по почвенному покрову полях с разной интенсивностью химических нагрузок выделяют постоянные участки (реперные площадки), на кото-рых изучают динамику широкого набора показателей, служа-щих основой для последующей экологической оценки приме-няемых технологий. Наблюдательные (фоновые участки) пло-щадки организуют и на ближайших почвенных аналогах (на целине, залежи, естественных угодьях), не подвергающихся антропогенному воздействию.

Наиболее перспективное направление проведения сплош-ного производственного агроэкологического мониторинга – дистанционная аэрокосмическая съемка.

143

10.2. Êîìïîíåíòû àãðîýêîëîãè÷åñêîãî ìîíèòîðèíãà

Основными блок-компонентами агроэкосистем являются почва, атмосфера, вода, растения. Проведение мониторинга по каждому из этих объектов имеет определенные особенности.

Почвенный экологический мониторинг состоит из трех по-следовательных взаимосвязанных частей: контроль (наблю-дение) за состоянием почв и почвенного покрова и оценка их пространственно-временных изменений; прогноз вероятных изменений состояния почв и почвенного покрова; научно обоснованные рекомендации по направленному регулирова-нию основных средств и режимов в почвах, непосредственно определяющих плодородие и урожайность сельскохозяй-ственных культур.

Под состоянием почв и почвенного покрова во времени и пространстве понимают комплекс измеряемых показателей свойств, состава и плодородия почвы в пределах ее элементар-ного ареала в конкретный период.

Состояние почвенного покрова – это соотношение находя-щихся в его структуре в определенном состоянии элементар-ных почвенных ареалов или их комбинаций в данное время.

От традиционных почвенных и агрохимических исследова-ний мониторинг отличается прежде всего комплексностью и непрерывностью, единством целей и задач, многопрофиль-ностью проводящих его специалистов, согласованностью про-граммных и методических установок.

Преимущества мониторинга как целостной системы слеже-ния за различными объектами достаточно очевидны, посколь-ку почвенные и агрохимические исследования нередко выпол-няют на основе односторонних программ, предусматриваю-щих ограниченный набор изучаемых параметров и использо-вание разных методических подходов.

Получаемая на базе мониторинга информация об измене-нии свойств почвы, почвенных режимов и процессов под воздействием естественных факторов почвообразования и антропогенных нагрузок служит основой для моделирова-ния поч венного плодородия.

В связи с тем что агроэкологический мониторинг включа-ет прогнозную составляющую, необходимо ориентироваться на комплексные ландшафтные наблюдения. Наряду с парамет-рами плодородия и состояния почвенного покрова следует учитывать и факторы почвообразования, изменения состояния

144

почвенного покрова. Обоснованность такого подхода объясня-ется тем, что антропогенные воздействия влияют не только на биоту, но и на уровень грунтовых вод (УГВ), водно-солевой режим и баланс, геохимическую миграцию элементов, водо-проницаемость пород и даже рельеф.

Для достижения требуемой достоверности прогнозов воз-можных изменений состояния почв и почвенного покрова они должны опираться на достаточно надежную теоретическую базу формирования и развития почвообразовательных процессов.

Прежде всего, имеется в виду описание не только характе-ра того или иного процесса, но и объективная оценка его ин-тенсивности, скорости в зависимости от динамики факторов почвообразования.

Методологические предпосылки организации и проведения почвенно-экологического мониторинга определяются и осо-бенностями хозяйственного использования земельных угодий. Необходимым условием успешного решения функциональных задач мониторинга является опережающее поступление ин-формации о состоянии почв и почвенного покрова по отноше-нию к сведениям о регулирующих воздействиях, направлен-ных на рациональное использование почв (в частности, агро-технические, мелиоративные, противоэрозионные и другие мероприятия). Уже на первых этапах организации и проведе-ния мониторинга важным является создание банков данных.

Задача мониторинга состояния почвенного покрова – обе-спечение регулярного контроля за использованием земель (со-ответствие природного потенциала земель их производствен-ному назначению); однородностью почвенного покрова полей (контурность, пятнистость, образование микрорельефа и др.); эрозионными процессами, оползневыми и селевыми наноса-ми; подсклоновым заилением, заболачиванием, засолением, опустыниванием и другими негативными процессами.

Управление состоянием почвенного покрова включает та-кие мероприятия, как рациональная организация территории, приведение в соответствие использования земель их природ-ному потенциалу, почвенно-мелиоративные, агротехнические и противоэрозионные приемы.

Усиление негативных антропогенных воздействий, обу-словливающих нарушение почв и снижение их плодородия, требует включения в программы почвенно-экологического мо-ниторинга следующих задач:

145

определения потерь почвы (в том числе скорости потерь) в связи с развитием водной эрозии и дефляции;

контроля за изменением кислотности и щелочности почв (прежде всего, в районах с повышенными дозами внесения ми-неральных удобрений при осушении и орошении, а также при использовании мелиорантов и промышленных отходов в окрестностях крупных промышленных центров, которые ха-рактеризуются высокой кислотностью атмосферных осадков);

контроля за изменением водно-солевого режима и водно- солевых балансов мелиорируемых, удобряемых или каким-либо другим способом изменяемых почв;

выявления регионов с нарушенным балансом основных элементов питания растений; обнаружения и оценки скорости потерь почвами гумуса, доступных форм азота и фосфора;

контроля за загрязнением почв тяжелыми металлами, вы- падающими с атмосферными осадками, и за локальным загряз-нением их тяжелыми металлами в зонах влияния промышлен-ных предприятий и транспортных магистралей;

контроля за загрязнением почв химическими средствами защиты растений в районах их постоянного использования;

сезонного и долгосрочного контроля за структурой почв и содержанием в них элементов питания растений, за водно-физическими свойствами и уровнем грунтовых вод.

Многообразие природных условий и факторов антропоген-ных воздействий на почвы, сложность почвенных структур обусловливают необходимость разработки дифференцирован-ных программ почвенно-экологического мониторинга.

Начальный этап мониторинга (первая форма) позволяет оценить состояние почв и почвенного покрова, масштабы воз-действия антропогенных факторов, направленность и интен-сивность развития негативных процессов и выбрать (в соот-ветствии с базовыми принципами мониторинга) объекты для последующих исследований.

Стационарная форма почвенно-экологического монито-ринга (вторая форма) реализуется по расширенной програм-ме комплексных исследований свойств и параметров почв, ре-жимов и процессов, протекающих в них.

Третья форма мониторинга реализуется по сокращенной программе в процессе маршрутных обследований заранее вы-бранных участков или маршрутов (по тому же принципу, что и стационаров). При этом основное внимание уделяют репре-зентативным диагностическим показателям, наиболее дина-мично меняющимся во времени.

146

Маршрутные обследования пространственно могут быть приурочены к стационарным участкам или их прокладывают по самостоятельным направлениям.

По своему содержанию маршрутная система мониторинга представляет собой форму оперативного контроля за состоя-нием почв и почвенного покрова, мелиоративных систем, аг-роэкосистем и продуктивностью земель. Периодичность (ча-стота) маршрутов – 1–3 за вегетационный период. В случае выявления негативных процессов (переосушение или подто-пление площадей, утечка воды из дрен, изреженность и вымо-кание посевов, засоление, подкисление, осолоцевание, эрозия и т.д.) составляют соответствующие карты и картосхемы, спе-циальные акты. При обнаружении значительных изменений в свойствах почв и структуре почвенного покрова оценивают целесообразность проведения дальнейших наблюдений на та-ких участках (территориях).

Четвертая форма мониторинга заключается в сплошном обследовании территории. Выходные информационные мате-риалы при этой форме мониторинга составляют в первую оче-редь инвентаризационные картографические характеристики, а также картограммы агрохимических обследований и разра-ботанные на этой основе рекомендации по рационализации землепользования.

Получаемые данные о фактическом состоянии почвенных (содержание гумуса, эродированность, рН, засоленность, со-лонцеватость и др.) и агрохимических (содержание подвижных форм азота, фосфора, калия и др.) свойств, агропроизводствен-ная группировка почв и «почвенные очерки», характеризую-щие почвы по всему спектру пользования, служат базовыми предпосылками для последующих теоретических обоб щений и практических рекомендаций. Последние же должны отражать трансформацию сельскохозяйственных угодий; охрану почв от водной и ветровой эрозий; осушение, орошение и проведение культуртехнических работ; химическую мелиорацию земель (известкование, гипсование и т.д.); рациональные размещения и набор сельскохозяйственных культур; особенности агротех-нических приемов и систем применения удобрений с учетом почвенных условий; улучшение сенокосов и пастбищ.

Обязательное условие при осуществлении рассматривае-мой формы мониторинга – использование методов картогра-фирования. При этом набор приемов получения исходных дан-ных (от визуальных до космических) должен быть максималь-но полным.

147

Для достижения репрезентативности наблюдений и объек-тивности оценок состояния и изменений почвенно-агро-химических свойств почвенные обследования целесообразно проводить с периодичностью 1 раз в 10–15 лет, а агрохимиче-ские – каждые 5 лет. Проведение таких работ повторно, с одной стороны, позволяет устранять недостатки и воспол-нять пробелы прежних наблюдений, а с другой (что наиболее существенно) – выявлять и фиксировать происшедшие изме-нения свойств почв и почвенного покрова вследствие природ-ных и антропогенных воздействий.

При повторных почвенно-картографических обследовани-ях (корректировке) существенно повышается значимость аэро-космических данных, дешифрировать которые целесообразно до полевых работ.

Выбирать объекты мониторинга следует, основываясь на почвенно-географическом, геохимическом и природно-хо-зяйственном районировании, с учетом особенностей исполь-зования земель и степени устойчивости почвенного покрова к разным техногенным нагрузкам.

Объекты мониторинга закладываются во всех земледельче-ских зонах. Они должны отражать типичные природные и сельскохозяйственные ландшафты и быть приурочены к ме-стам наиболее интенсивного антропогенного воздействия. Па-раллельно выбирают фоновые территории (участки), пред-ставленные природными ландшафтами, почвы которых за по-следние 40–50 лет не испытывали или испытывали незначи-тельные антропогенные нагрузки. Фоновыми территориями могут служить заповедники.

При выборе объектов мониторинга учитывают специализа-цию хозяйства, систему земледелия, способы обработки почв, систему севооборотов. Целесообразно выбирать объекты ис-следования (хозяйства) с разным экономическим уровнем.

10.3. Ýêîëîãî-òîêñèêîëîãè÷åñêàÿ îöåíêà àãðîýêîñèñòåì

В системе агроэкологического мониторинга важной базо-вой составляющей является комплексная эколого-токси ко-логическая оценка исследуемых объектов. Химизация земле-делия, экономические цели не всегда соответствуют требова-ниям обеспечения экологической безопасности, которая на со-временном этапе развития земледелия может быть достигнута только в результате применения оптимальных доз химических средств с учетом необходимых экологических отграничений.

148

Обязательное условие проведения эколого-токсико ло ги-ческой оценки – исходный анализ вод, почв, растений по ком-плексу выбранных показателей на фоновой территории (на до-статочно большом участке ненарушенного ландшафта). В этом случае представляется возможным проследить динамику изме-нений экологического состояния исследуемой агроэкосистемы, в том числе и при проведении природоохранных мероприятий.

Контроль за накоплением растениями токсичных соедине-ний и качеством растительной продукции входит в число систе-мообразующих задач агроэкологического мониторинга. Токси-кологическая же оценка продукции растениеводства определяет эколого-экономическую эффективность всего технологическо-го комплекса возделывания культур.

Агроэкологический мониторинг включает в себя систем-ные наблюдения за компонентами агроценоза по единой уни-фицированной программе. В перспективе же предполагается организация на каждом полигоне автоматизированных систем контроля.

Основными агрофизическими параметрами почв, как из-вестно, являются агрегированность, общая плотность и плот-ность твердой фазы, минералогический и гранулометрический составы, водопроницаемость, фильтрационная и водоудержи-вающая способности.

Агрегированность (наличие агрономически ценных и водо-прочных агрегатов) – одно из основных агрофизических свойств почв. Она определяет их воздушный и водный режи-мы, являющиеся незаменимыми факторами жизни растений. Дезагрегирование (обесструктурирование) приводит к уплот-нению и значительному ухудшению водно-воздушных свойств (фильтрации, влагоемкости и др.).

Общая плотность и плотность твердой фазы почв позво-ляют оценить соотношение твердой фазы и порового про-странства, т.е. предпосылки и условия формирования водно-воздушного режима.

От минералогического и гранулометрического составов за-висят наличие и доступность питательных элементов для рас-тений, а также важные при механической обработке почв свой-ства – липкость, набухаемость и усадка.

Водопроницаемость, фильтрационная и водоудерживаю-щая способности почв определяют их водный режим и необ-ходимость мелиорации.

149

Ухудшение агрофизических свойств влечет за собой нару-шение экологических функций почвы, в том числе снижение сорбционных свойств.

В системе агроэкологического мониторинга агрофизиче-ские параметры постоянно контролируют.

Наиболее консервативным в отношении изменений являет-ся гранулометрический состав. Данный показатель целесо-образно определять 1 раз в 5–10 лет. Определяют грануломе-трический состав послойно через каждые 10 см с помощью бура методом пипетки (по Качинскому). Этот метод позволяет получить достаточно надежные результаты. Водопроницае-мость, фильтрационная и водоудерживающая способности почв более динамичны во времени. Они существенно зависят от влажности, уплотненности и сложения почв. Данные пока-затели следует контролировать при полигонном мониторинге 1 раз в ротацию севооборота (из-за трудоемкости определе-ния) в конце вегетации (после уборки), когда устанавливается относительно равновесная плотность почвы, а посевы не за-трудняют полевое определение водопроницаемости и филь-трационной способности.

Постоянно наблюдая за состоянием агрофизических пара-метров, можно предотвращать нежелательные изменения и ухудшение свойств почв, развитие негативных деградацион-ных процессов, а в итоге сохранять высокое плодородие почв, их важные экологические функции.

В сложной проблеме управления почвенным плодородием одним из важнейших факторов является контроль за состояни-ем органического вещества. Блок гумуса, несомненно, ключе-вой в почвенно-экологическом мониторинге, поскольку гумус почв, состояние его количественных и качественных характе-ристик определяют основные свойства и режимы почв, транс-формацию и миграцию поступающих в процессе интенсифика-ции земледелия и в результате техногенеза токсичных веществ.

Исследования обнаружили, что содержание и качественный состав гумуса не являются стабильными, консервативными по-казателями, слабо поддающимися воздействию антропогенных факторов, как это считали ранее. При определении плодородия почв уже недостаточно учитывать только содержание в них гу-муса, необходимо контролировать и его качественное состояние.

Заметные изменения природных показателей качества гу-муса вызывает длительное систематическое применение удо-брений. При этом групповой состав существенно не меняется.

150

Соотношение основных групп Сгк : Сфк (углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот), несколько увеличиваясь в большинстве исследованных почв на вариантах с внесением навоза, остается соответствующим типу гумуса, характерному зональному гумусообразовательному процессу.

В то же время органические и минеральные удобрения из-меняют фракционный состав гумуса, способствуют накопле-нию его подвижных форм, повышают его активность. До не-давнего времени это считали положительным явлением. Одна-ко в некоторых случаях происходящие изменения могут носить негативный характер. Так, в результате длительного примене-ния удобрений в черноземных почвах происходит перераспре-деление фракционного состава гумуса: увеличиваются гуму-совые вещества первой фракции (подвижный гумус) и умень-шается наиболее ценная, связанная с Са2+, вторая фракция.

Таким образом, возможные изменения гумусового состоя-ния по всему спектру показателей в результате тех или иных воздействий требуют постоянного наблюдения за его состоя-нием, разработки рациональных мер регулирования его балан-са и качественных характеристик.

В формировании экологически адаптированных систем зем-леделия большое значение придают биологическому азоту, во-влекаемому в сферу вещественно-энергетических преобразова-ний в агроценозах посредством использования продукционных возможностей бобовых культур (главным образом, многолет-них трав). При расширенном воспроизводстве плодородия почв вся технология возделывания бобовых культур и система удо-брения должны способствовать максимальной симбиотической фиксации азота атмосферы и благодаря этому обеспечивать увеличение урожайности без применения азотных удобрений.

Без надежной информации о реальном вкладе биологиче-ского азота и органического вещества бобовых в различных почвенно-климатических условиях в зависимости от насыщен-ности севооборота бобовыми культурами и их видового соста-ва трудно избежать негативных экономических и экологиче-ских последствий.

Для реализации потенциала биологического азота в прак-тике земледелия необходима достоверная информация, позво-ляющая разработать систему оценочных показателей, основ-ные из которых следующие:

размеры азотфиксации бобовыми при различной их уро- жайности;

151

количество вовлекаемого атмосферного азота и поступле- ние в почву органического вещества;

возможные урожайности зерновых за счет использования азота бобовых и потребность в минеральном азоте при возде-лывании культур по бобовым предшественникам.

Исходными данными для решения вышеупомянутых во-просов должны служить материалы агроэкологического мо-ниторинга.

Важнейший показатель плодородия, определяющий уро-жайность сельскохозяйственных культур и эффективность действия удобрений, – содержание подвижного фосфора в почве, что также относится к объектам агроэкологического мониторинга.

Задача состоит в том, чтобы достичь в почве такого содер-жания фосфора, при котором он не являлся бы фактором, огра-ничивающим урожай.

Первая часть проблемы – создание определенного количе-ства фосфора в почве – обоснована исследованиями системы почва – удобрения – растения. Установлено, что для обеспече-ния потребности растений первостепенное значение имеет концентрация фосфора в почвенном растворе у поверхности корней. Степень концентрации зависит от поглощения фосфо-ра корнями растений и восстановления ее за счет перехода фосфора из твердой фазы. Чем больше запас ионов, способ-ных к обмену между твердой и жидкой фазами почвы (фактор емкости), чем больше их подвижность (фактор интенсив-ности), тем быстрее концентрация восстанавливается, а расте-ния лучше обеспечиваются фосфором.

Очевидно, что для нормального роста и развития растений почва должна иметь такой запас фосфора, который обеспечи-вает высокую интенсивность перехода фосфат-ионов из твер-дой фазы в раствор и устойчивое снабжение поверхности кор-ней потоком ионов со скоростью, адекватной скорости посту-пления фосфора в корни. Запас подвижных фосфатов (фактор емкости) для каждой почвенной разности определяют стан-дартным методом.

В системе агроэкологического мониторинга для решения вопросов оптимизации фосфорного питания растений можно применять также методы растительной диагностики, основан-ные на результатах физиологических и агрохимических иссле-дований (определенная зависимость химического состава рас-тений по фазам и периодам вегетации от степени удобрения

152

культур), которые используют во многих странах. Практиче-ский опыт проведения растительной диагностики показывает, что реакция возделываемого растения на поступление и по-требление питательных веществ проявляется довольно быстро и достаточно точно отражает их содержание.

Очевидно, что эколого-агрохимическая оценка фосфорных удобрений должна содержать не только сведения об основном питательном элементе – фосфоре, но и о наличии в составе удобрения примесей, представляющих опасность для окружа-ющей природной среды. Тяжелые металлы, фтор и другие ком-поненты необходимо определять в самих удобрениях, в почве, а в случае их выявления и в растительной продукции.

В улучшении плодородия почв, повышении продуктивно-сти возделываемых культур особое значение имеют органиче-ские удобрения.

Будучи важным источником пополнения запасов доступ-ных растениям питательных веществ, они оказывают положи-тельное мелиоративное влияние на почву, способствуя, в част-ности, оптимизации ее гумусового состояния. Известно поло-жительное влияние органических удобрений в нейтрализации токсических свойств тяжелых металлов в результате связыва-ния их в малодоступные соединения, ослаблении токсичного действия других химических элементов. Например, в Японии содержание кадмия в рисе снижалось при внесении птичьего помета, компоста или муки из рисовой соломы. Уменьшение токсичности соединений хрома отмечено при внесении торфа или осадка сточных вод в количестве не менее 100 т/га.

Несмотря на большое производственное значение органи-ческих удобрений, накоплено немало данных о больших поте-рях органикой питательных элементов, высоких концентраци-ях токсичных веществ в сельскохозяйственной продукции, главным образом из-за нарушения технологии использования данного вида удобрений (особенно различных видов беспод-стилочного навоза).

Концентрация животноводства, развитие его на промыш-ленной основе коренным образом изменили структуру и каче-ство органических удобрений. Сократилась доля подстилочно-го навоза; одновременно увеличился выход бесподстилочного полужидкого и жидкого навоза и навозных стоков.

Применение высоких доз бесподстилочного навоза сопро-вождается накоплением фосфора в почве, а также повышени-ем его содержания в грунтовых водах.

153

Из применяемой в качестве удобрений органики наиболь-шую опасность для окружающей среды могут представлять осадки сточных вод. Применение их в качестве удобрения воз-можно в научно обоснованных дозах только после тщательно-го химического анализа осадков и санитарной проверки на специальных площадках.

Учитывая возможность загрязнения окружающей среды, необходим постоянный контроль за качеством органических удобрений, содержанием в них токсичных веществ, а также накоплением последних в почве и растениях.

При комплексном применении средств химизации возникают специфические вопросы суммарной токсичности почвы, вред-ности (или безвредности) растениеводческой продукции, кото-рые невозможно определить традиционными методами. Оста-точные количества всех применявшихся препаратов могут быть на уровне МДУ, однако имеет ли место синергический эффект, однозначно ответить сегодня невозможно. Все это объективно диктует необходимость проведения в стационарных длитель-ных опытах или на полигонах агроэкологического мониторинга всесторонних исследований, позволяющих получить обосно-ванные сравнительные характеристики неодинаковых по степе-ни «насыщения» агрохимикатами систем комплексного приме-нения средств химизации в севооборотах разных типов.

Важный показатель – динамика содержания пестицидов в почве и растениях. Для изучения динамики пробы отбирают как минимум в 3–4 срока: первый – в день обработки (исход-ное содержание), а далее через 3–5, 15–30 и 50–60 сут после обработки, а также при уборке урожая. Наименьшие времен-ные интервалы берут при использовании нестойких препара-тов, наибольшие – стойких. Параллельно с остаточным коли-чеством пестицидов в растительных образцах на основе стан-дартных методов исследуется содержание азотсодержащих токсикантов (NO–

2, NО–3, нитрозоамины), тяжелых металлов,

фтора, мышьяка, хлора, ряда микроэлементов.Важное значение в агроэкологическом мониторинге прида-

ют определению суммарной вредности (или безвредности) растениеводческой продукции.

Суммарную фитотоксичность почвы оценивают, как прави-ло, методом биоиндикации.

Микрофлора почвы – основной фактор почвообразователь-ного процесса. Качество почвы определяется ее плодородием, важнейшими показателями которого являются биомасса ми-

154

кроорганизмов, интенсивность протекающих в почве биохи-мических процессов, таксономический состав микрофлоры и ее функциональное разнообразие.

Закономерно, что одна из первоочередных задач заключа-ется в оценке параметров биологической активности почв с разным плодородием, сформированным на основе различных систем земледелия в длительных стационарных опытах. Такие оценки проводят на основных типах почв в различных по при-родным условиям земледельческих зонах.

Полученные таким образом результаты – исходная база для разработки критериев микробиологической оценки качества почвы и создания банков нормативной информации, необходи-мых для управления почвенным плодородием и охраной окру-жающей природной среды. Современные возможности нако-пления, обработки, хранения и предоставления информации открывают широкие возможности для более обоснованного, а главное, конструктивного решения управленческих задач в области почвенного плодородия.

Разработка качественных и количественных параметров, нормативной базы биологических свойств почвы позволяет развернуть систематические наблюдения за их изменениями в процессе сельскохозяйственного производства.

10.4. Áèîãåîõèìè÷åñêèå ïîäõîäû ê ïðîâåäåíèþ àãðîýêîëîãè÷åñêîãî ìîíèòîðèíãà

Связь между различными компонентами (почва, вода, рас-тения и др.) агроэкосистемы, как и биосферы в целом, осущест-вляется через биогеохимические круговороты, представляю-щие собой синтез согласованных во времени и в пространстве трансформационных и миграционных потоков веществ, нося-щих цикличный характер. Следовательно, для достижения це-лей агроэкологического мониторинга и последующей разра-ботки методов исследований конкретных элементов (веществ) актуально биогеохимическое районирование территорий.

Структура агроэкологического мониторинга включает уни-версальные параметры, характеризующие каждый компонент агроэкосистемы. Важнейшая задача – получение высококаче-ственной продукции – требует всестороннего и разноуровне-вого контроля.

Токсичные вещества, поступающие в результате деятель-ности человека в агроэкосистемы через атмосферу, гидросфе-ру и почву, включаются в биогеохимические круговороты,

155

транспортируются по цепочке: растения – корма – продукты питания – организм животных – организм человека. Очевид-но, что будучи одним из обязательных условий формирования системы целенаправленного управления производством эколо-гически чистой сельскохозяйственной продукции, агроэколо-гический мониторинг должен основываться и на знании про-цессов биогеохимического круговорота веществ. При этом важна «емкость» мониторинга. В перечень показателей, под-лежащих контролю, обязательно входят элементы (бериллий, никель, селен, фтор, хром и др.), влияющие опосредованно или прямо на организм человека и животных. Возможное на-личие биогенных элементов, тяжелых металлов и других ком-понентов следует контролировать в поливной и питьевой воде, растительной и животной продукции, лекарственном сырье; необходим также контроль за качеством продукции в процессе переработки и т.д. По сути дела, подконтрольной должна быть вся трофическая цепь.

Для объективного учета биогеохимических особенностей территорий при проведении мониторинга целесообразно осно-вываться на многолетних сведениях, в том числе исторических (характер землепользования за период в 50 лет и более, начало эксплуатации земельного фонда, динамика уровней химиза-ции и т.п.); агрохимических (сравнение с ранее взятыми по-чвенными монолитами анализов современных почв, особенно по содержанию микроэлементов, тяжелых металлов и др.); о климатических условиях, развитии процессов химического загрязнения воздуха и водных источников; о наличии есте-ственных биогеохимических провинций.

Среди химических элементов, слагающих нашу планету, живое вещество и почвенный покров, 60–70 называют рассе-янными (или следовыми), концентрация которых весьма мала и составляет n · 10–2 – n · 10–5%. Однако в пересчете на разме-ры земной коры общие запасы микроэлементов на Земле по-лучаются весьма внушительными.

Исследования последних десятилетий позволили раскрыть исключительно важное значение рассеянных элементов в реа-лизации функций и в процессах эволюции биоты, для продук-тивности земледелия, здоровья людей. Однако, несмотря на довольно высокое общее содержание этих элементов, распре-деляются они неравномерно и проявляются в виде геохимиче-ских аномалий, образующихся под влиянием как естествен-ных, так и антропогенных факторов.

156

В качестве показателей биогенного круговорота в различ-ных природно-хозяйственных зонах могут служить соотноше-ние концентрируемых и деконцентрируемых растениями эле-ментов (по отношению к почве), а также соотношение рас-тений-концентраторов и деконцентраторов.

Биологическое поглощение микроэлементов растениями можно оценивать с помощью коэффициентов биологического поглощения, которые рассчитывают по отношению содержания микроэлементов в растениях к содержанию их в почвах (Сзола / Спочва). На основе коэффициентов биологического поглощения выделены растения-индикаторы (растения, способные нака-пливать в больших количествах тот или иной элемент).

В результате сложных многовековых геохимических процес-сов поверхность и почвенный покров континентов приобрели специфические геохимические черты. Возникли и сформирова-лись различные геохимические провинции и области, характе-ризующиеся определенными составом мигрирующих соедине-ний, условиями реакций среды и окислительно-вос ста но-вительным режимом, накоплением и выносом макро- и микро-элементов. Исследованиями М.А. Глазовской, Н.Г. Зырина, А.И. Обухова, А.И. Перельмана установлено, что физиологиче-ское и агрономическое значение имеет не валовое содержание микроэлементов, а их подвижные формы в почве. Это привело к выводу о необходимости глубокого комплексного исследования биогеохимической географии микроэлементов, форм их соеди-нений, закономерностей миграции и аккумуляции, плодородия почв и их значения для гигиены и здоровья человека.

Практически для каждого элемента целесообразно разли-чать четыре уровня концентрации: дефицит элемента (орга-низм «страдает» от недостатка элемента); оптимальное содер-жание (отмечается хорошее состояние организма); допусти-мые концентрации (начинают появляться депрессивные явления в организме); губительные (фатальные) для данного организма.

Приходится, однако, признать, что в Беларуси пока еще отсутствует надежная организационная система, способная обеспечить жесткие ограничения и серьезный контроль за содержанием тяжелых металлов и других токсичных веществ в кормах для животных, продуктах питания и т.д. Трудности здесь обусловлены прежде всего слабой изученностью про-цессов миграции в системе почва – растение, а следователь-но, сложно сформировать хорошую исходную информацион-ную базу.

Введение системы действенного контроля и обоснованных норм – сложная комплексная задача, требующая разносторон-них исследований и участия специалистов разных профилей.

Агроэкологический мониторинг при этом должен включать:биогеохимическое обследование почв по зонам с целью

уточнения границ и оценки состояния биогеохимических про-винций и районов на данный период;

определение как валового содержания элементов, так и их подвижных форм с помощью современных инструментальных методов для последующего формирования банков и баз данных;

определение элементного химического состава основных сельскохозяйственных культур по регионам для выявления ро-довой и видовой биогеохимической специфики растений зо-нальных агроценозов; выявление растений-индикаторов;

установление средних статистических показателей содер- жания элементов в различных типах почв в качестве «фоно-вых» характеристик;

определение подвижных форм макроэлементов и тяже- лых металлов в образцах почв по методике, исключающей из-менения подвижности элементов в результате химических и биологических процессов при хранении образцов;

контроль динамики анионов в почве, оказывающих зна- чительное влияние на подвижность металлов.

158

Ãëàâà 11

ÊÐÈÒÅÐÈÈ ÎÖÅÍÊÈ ÝÊÎËÎÃÈ×ÅÑÊÎÃÎÑÎÑÒÎßÍÈß ÒÅÐÐÈÒÎÐÈÉ

11.1. Îáùèå ïîëîæåíèÿ

При оценке окружающей природной среды (экологическо-го состояния территории) и к выбору наиболее емких и инфор-мативных критериев оценки состояния экосистем, их биотиче-ской и абиотической составляющих целесообразен комплекс-ный подход. Исходным концептуальным положением такого подхода являются отказ от механического суммирования со-стояния отдельных сред, выраженного в баллах, и оценка со-стояния экосистемы в целом. В этом случае учитывают функ-циональное единство природных компонентов, т.е. общая оценка формируется из оценок состояния биотических и абио-тических факторов. Состояние экосистемы оценивают по огра-ниченному числу критериев, что позволяет получать достаточ-но надежную информацию. При таком подходе удается не только избежать субъективизма, присущего балльным оцен-кам, но и представляется возможным раскрыть причину, обу-словливающую состояние экосистемы, что является основой для разработки конкретных природостабилизирующих реко-мендаций.

Рассматриваемые концептуальные положения обеспечива-ют достаточно экономное получение исходной информации (различные статистические данные, материалы аэрофотосъе-мок, ограниченный объем лабораторных анализов). Такая оценка первичных данных позволяет планировать более тру-доемкие и затратные исследования.

Практически реализовать концепцию можно при условии единого подхода как к оценке состояния экосистемы, так и компонентов, слагающих ее.

В соответствии с основными положениями действующих директивных документов экологическая обстановка классифи-цируется по возрастанию степени (уровня) экологического не-благополучия в результате природно-антропогенных наруше-ний: относительно удовлетворительная (норма – Н); напря-женная, или условно-удовлетворительная (риск – Р); кризис-

159

ная, или неудовлетворительная (кризис – К), адекватна зоне чрезвычайной экологической ситуации; катастрофическая (бедствие – Б), соответствует зоне экологического бедствия.

В основу выделения этих уровней положено ранжирование нарушений экосистем по глубине и необратимости, т.е. по реальным, имеющим физическое выражение морфологиче-ским факторам. Принято различать следующие классы со-стояний и зоны нарушений:

экологической нормы (Н), или класса удовлетворительно- го (благоприятного) состояния ОПС, включающей территории без заметного снижения продуктивности и устойчивости эко-систем, их относительной стабильности; удовлетворительного здоровья населения. Значения прямых критериев оценки ниже ПДК или фоновых (деградация земель менее 5 % площади);

экологического риска (Р), или класса условно-удовлет- ворительного (неблагоприятного) состояния ОПС, имеющей территории с заметным снижением продуктивности и устой-чивости экосистем, их нестабильным состоянием, ведущим в дальнейшем к спонтанной деградации экосистем, но еще с об-ратимыми нарушениями. Территории требуют разумного хо-зяйственного использования и планирования мероприятий по их улучшению; здоровье населения ухудшено частично. Значе-ния прямых критериев оценки незначительно превышают ПДК или фон (деградация земель 5–20 % площади);

экологического кризиса (К), или класса неудовлетвори- тельного состояния ОПС (чрезвычайная экологическая ситуа-ция). В эту зону входят территории с сильным снижением про-дуктивности и потерей устойчивости экосистем, с труднообра-тимыми нарушениями; отмечена серьезная угроза здоровью населения. Происходят устойчивые отрицательные изменения состояния естественных экосистем (уменьшение видового раз-нообразия, исчезновение отдельных видов растений и живот-ных, нарушение генофонда). Необходимы выборочное хозяй-ственное использование территорий и планирование их глубо-кого улучшения. Значения прямых критериев оценки значи-тельно превышают ПДК или фон (деградация земель 20–30 % площади);

экологического бедствия (Б), или класса катастрофиче- ского состояния сред. Она включает территории с полной по-терей продуктивности, глубокими практически необратимыми нарушениями экосистем; здоровье населения существенно ухудшено. Происходит разрушение естественных экосистем

160

(нарушение природного равновесия, деградация флоры и фау-ны, потеря генофонда). Значения прямых критериев оценки многократно превышают ПДК или фон (деградация земель бо-лее 50 % площади).

Как уже отмечалось, дают характеристику зонам и опреде-ляют классы экологического состояния территорий по наибо-лее репрезентативным показателям, но обязательно с исполь-зованием и взаимным учетом тематических, пространствен-ных и динамических критериев оценки. Важно подчеркнуть, что единого интегрального показателя состояния (или оценки) экосистем не существует, однако число наиболее репрезента-тивных показателей может быть сведено к оптимальному ми-нимуму. Следовательно, оценка экологического состояния тер-ритории может состоять из интегральной морфологической оценки состояния экосистемы с расшифровкой ее через харак-теристику состояния геосфер (среды обитания). Только так можно оценить современное состояние экосистемы, а также и причины этого состояния с учетом влияния техногенеза.

Особое внимание необходимо обращать на выбор и обо-снование критериев, по которым оценивают экологическое со-стояние отдельных территорий.

Существует несколько подходов к классификации и иерар-хии показателей оценки состояния (классов) экосистем и гео-сферных оболочек.

В.В. Виноградов предлагает выделять биотические показа-тели, включающие три класса критериев: тематические, про-странственные и динамические.

В состав тематических входят ботанические (геоботани-ческие и биохимические), зоологические и почвенные оценоч-ные критерии. За исключением биологических, они характе-ризуют ресурсный потенциал анализируемого компонента, а через него – состояние экосистемы.

Для геосферных оболочек предлагается три оценочных по-казателя: прямой (основной), косвенный и индикаторный.

Глубокие необратимые изменения необходимо рассматри-вать за относительно короткий исторический срок – не менее продолжительности жизни одного поколения людей.

Под существенным ухудшением здоровья населения пони-мают увеличение необратимых, несовместимых с жизнью на-рушений здоровья, изменение структуры причин смерти и по-явление специфических заболеваний, вызванных загрязнени-ем окружающей среды.

161

Под угрозой здоровью населения понимают существенное увеличение частоты обратимых нарушений здоровья (неспе-цифические заболевания, отклонения физического и нервно-психического развития и др.), связанных с загрязнением окру-жающей среды.

Состояние ОПС и качество среды обитания человека ха-рактеризуют критерии загрязнения воздушной среды, воды, почв, истощения природных ресурсов и деградации экосистем. Качество природной среды оценивается также совокупно с по-зиций как общеэкологических, так и санитарно-гигиенических требований.

Под критерием подразумевают описание совокупности по-казателей, позволяющих охарактеризовать ухудшение состоя-ния здоровья населения и окружающей среды.

Показатели означают размер, а параметры – границы ин-тервалов, соответствующих степеням экологического неблаго-получия территорий. Параметры приняты на основании либо научных, экспериментальных данных, либо экспертных оце-нок специалистов.

11.2. Áîòàíè÷åñêèå è áèîõèìè÷åñêèå êðèòåðèè

Ботанические критерии имеют наибольшее значение, по-скольку они не только чувствительны к нарушениям окружаю-щей среды, но и наилучшим образом прослеживают зоны эко-логического состояния по размерам в пространстве и по ста-диям нарушения во времени.

Ботанические показатели весьма специфичны, так как раз-ные виды растений и различные растительные ассоциации в неодинаковых географических условиях имеют разную чув-ствительность и устойчивость к нарушающим воздействиям, и, следовательно, одни и те же показатели для классификации зон экологического состояния могут существенно варьировать для разных ландшафтов. При этом учитывают признаки нега-тивных изменений на разных уровнях: организменном (фито-патологические изменения), популяционном (ухудшение видо-вого состава и фитоценометрических признаков) и экосистем-ном (соотношение площади в ландшафте).

Пример ранжирования состояния экосистем по ботаническим критериям приведен в табл. 11.1 (осредненные основные показа-тели, районированные для определенных зональных условий).

162 Таблица 11.1. Ранжирование состояния экосистем по ботаническим нарушениям

Показатель H P K Б

Ухудшение видового со-става естественной рас-тительности и характер-ных видов

Естественная смена доминантов, субдоми-нантов, особенно по-лезных видов

Уменьшение обилия господствующих, осо-бенно полезных видов

Смена господствующих видов на вторичные, в основном сорные и ядо-витые

Уменьшение обилия вто-ричных видов, полезных растений практически нет

Повреждение раститель-ности (дымом заводов)

Нет Повреждение наибо-лее чувствительных видов (хвойные де-ревья, лишайники)

Повреждение средне-чув ст вительных видов

Повреждение слабочув-ствительных видов (тра-ва, кустарники)

Относительная площадь коренных (квазикорен-ных) ассоциаций, %

> 60 40–60 20–30 < 10

Биоразнообразие (умень-шение индекса разно-образия Симпсона), %

< 10 10–20 25–50 > 50

Лесистость, проценты от зональной

> 80 60–70 30–50 < 10

Гибель посевов, про-центы от площади

< 5 5–15 15–30 > 30

163

Проективное покрытие пастбищной степной и полупустынной расти-тельностью, проценты от нормального

> 80 60–70 20–50 < 10

Продуктивность паст-бищной растительно-сти, проценты от потен-циальной

> 80 60–70 10–20 < 5

164

Таблица 11.2. Ранжирование состояния по биохимическим нарушениям

Показатель H P K Б

По содержанию химических ве-ществ в сухой массе травянистых растений, мг/кг:С : N

8–12 6–8 4–6 < 4

Pb, Cd, Hg, Cr, As, Sb по превы-шению МДУ

1,1–1,5 2–4 5–10 > 10

Ti, Se по превышению фона < 1,5 2–4 5–10 > 10Al, S, Te, Wo, Mn, Ca, Ce, Li по превышению фона

– 1,5–2 2–10 10–50

Cu 10–20 30–70 80–100 100Zn – 30–60 60–100 100–500Fe – 50–100 100–200 100–500Mo 2–3 3–10 10–50 50Co – 0,3–1,0 1–5 5–50

Биохимические критерии экологического нарушения осно-ваны на измерениях аномалий в содержании химических ве-ществ в растениях. Для классификации критического экологи-ческого нарушения территории используются показатели из-менения соотношения содержания токсичных и биологически активных микроэлементов в укосах растений с пробных пло-щадок и в растительных кормах. Аэротехногенный путь по-ступления поллютантов в растения через их ассимиляционные органы является фактором, определяющим деградацию лес-ных биогеоценозов, особенно в условиях воздействия выбро-сов горно-металлургических предприятий.

Наиболее информативные биохимические показатели по-ражения лесных экосистем приведены в табл. 11.2.

11.3. Ýêîëîãè÷åñêèå êðèòåðèè íàðóøåíèÿ æèâîòíîãî ìèðàè ïî÷âåííûå êðèòåðèè

Экологические критерии нарушения животного мира мож-но рассматривать как на ценотических уровнях (видовое раз-нообразие, пространственная структура, трофическая структу-ра, биомасса и продуктивность, энергетика), так и на популя-ционных (пространственная структура, численность и плот-ность, поведение, демографическая и генетическая структура).

165

По зоологическим критериям выделяют ряд стадий эколо-гического нарушения территорий.

Зону риска определяют, главным образом, по экологиче-ским критериям начальной стадии нарушения – синантропиза-ция, потеря стадного поведения, изменение путей миграции, реакция толерантности. Последующие стадии нарушения оце-нивают дополнительно по пространственным, демографиче-ским и генетическим критериям.

Зона кризиса характеризуется нарушением структуры по-пуляций, групп и стай, сужением ареала распространения и обитания, нарушением продуктивного цикла.

Зона бедствия отличается исчезновением части ареала, или местообитания, массовой гибелью возрастных групп, резким ростом численности синантропных и нехарактерных видов, интенсивным ростом антропозооновых и зооновых заболева-ний. Ввиду сильной разногодичной изменчивости зоологиче-ских показателей (не менее 25 %) некоторые из применяемых критериев берут за 5–10-летний период.

Почвенные критерии рассматривают в статусе оценочных критериев экосистем, так как ухудшение свойств почв явля-ется одним из наиболее значимых факторов формирования зон экологического риска, кризиса и бедствия. Прежде всего, это снижение плодородия почв на большой площади и с вы-сокой скоростью.

Почвенно-эрозионные критерии связаны с вторично-антро-погенными геоморфологическими процессами, ускоренными неблагоприятной хозяйственной деятельностью человека. Эти процессы наблюдаются и в естественных условиях, но нару-шение человеком устойчивости растительного и почвенного покровов (вырубка лесов, распашка земель, перевыпас паст-бищ и т.п.) значительно ускоряет данные процессы и увеличи-вает площади распространения, что приводит к формирова-нию зон экологического риска, кризиса и бедствия.

Интегральные показатели загрязнения почвы – ее фито-токсичность (свойство почвы подавлять рост и развитие выс-ших растений) и генотоксичность (способность влиять на структурно-функциональное состояние почвенной биоты). Пример выделения зон экологического состояния по основ-ным почвенным критериям приводится в табл. 11.3.

166

Таблица 11.3. Ранжирование состояния экосистемпо почвенным нарушениям

Показатель H P K БПлодородие почв, про-центы от потенциаль-ного

> 85 65–75 25–65 < 25

Содержание гумуса, проценты от перво-начального

> 90 70–90 30–70 < 30

Площадь вторично-засоленных почв, %

< 5 5–20 20–50 > 50

Глубина смытости по-чвенных горизонтов

Смыт гори-зонт А или 0,5 гори-зон та А

Смыт гори-зонт А и ча-стично АВ

Смыты гори-зонты А и В

Площадь ветровой эро-зии (полностью сду тые почвы), %

< 5 10–20 20–40 > 40

11.4. Ïðîñòðàíñòâåííûå è äèíàìè÷åñêèå êðèòåðèè

Пространственные критерии наряду с учетом степени на-рушенности имеют большое значение для оценки площади по-раженной экосистемы. Если площадь изменения невелика, то при равной глубине воздействия малая по площади нарушенная система восстановится быстрее, чем обширная. Если площадь нарушения превышает предельно допустимые размеры, то раз-рушение среды практически необратимо и относится к уровню катастрофы. Например, выгорание лесов на площади в десятки и даже сотни гектаров практически обратимо, так как леса вос-станавливаются – это не катастрофа. Однако, если площадь вы-горания лесов или какой-либо формы техногенного разрушения растительного покрова достигает площади десятков и сотен ты-сяч гектаров, изменения практически необратимы и происше-ствие квалифицируется как катастрофа. Таким образом, размер катастрофического нарушения достаточно велик и превышает, по В.В. Виноградову, площадь 10–100 тыс. га в зависимости от типа растительности и геолого-географических условий.

Чем серьезнее нарушение, тем больше репрезентативная площадь его влияния. Пространственным критерием зон эко-логического нарушения служит относительная площадь зе-мель (в процентах), выведенных из землепользования в преде-лах исследуемой экосистемы. Даже в норме, т.е. в стабильном

167

растительном покрове, относительная площадь нарушенных земель может достигать 5 %, а в зонах экологического бед-ствия превышает 50 %. При одной и той же стадии нарушения, выявленной по тематическим критериям, увеличение относи-тельной площади нарушения соответствует более высокому уровню опасности. Это может быть выражено в виде матрицы для административного района площадью 100–200 тыс. га. Пример такой матрицы приведен в табл. 11.4.

Таблица 11.4. Выделение нарушенных зон экосистем в зависимостиот глубины экологического нарушения и его площади

Зона нарушенности экосистем (Н, Р, К, Б)

Нарушенная площадь, %

< 5 5–19 20–50 >50

Глубина нарушения:нормаумеренноесреднеесильное

–ННН

–ННР

–ННК

–РКБ

Если нарушено менее 5 % территории, то изменение квалифи-цируется в пределах нормы, но умеренное нарушение на относи-тельной площади более 50 % оцениваемой территории уже явля-ется основанием для объявления ее зоной экологического риска.

Для классификации зон экологического риска, кризиса и бедствия необходимо учитывать пространственную неодно-родность нарушенных зон и наличие в ней комбинаций отно-сительной площади разной степени нарушения.

Так, зона риска может составлять комбинацию из слабоиз-мененных площадей (менее 30 %), средне- и сильноизменен-ных (менее 40 %) экосистем; зона кризиса – из слабо- и средне-измененных площадей (менее 30 %), сильно- и очень сильноиз-мененных (более 40 %), очень сильноизмененных (менее 30 %) экосистем; зона бедствия – из очень сильноизмененных пло-щадей (более 40 %), слабо- и среднеизмененных (менее 20 %), очень сильноизмененных (более 30 %) экосистем (табл. 11.5).

Таблица 11.5. Классификация зон с учетом степенинарушенности площадей, %

Нарушение H P K Б

Умеренное < 70 < 30 < 30 < 20Среднее < 10 > 40 > 40 > 30Сильное > 5 < 40 < 30 > 40

168

Динамические критерии наиболее достоверны для выявле-ния зон экологического нарушения по скорости нарастания неблагоприятных изменений природной среды (скорости на-копления тяжелых металлов, скорости прироста площади по-движных песков и т.п.).

Статические критерии выявления зон экологических нару-шений при всей их очевидности недостаточны для объектив-ной оценки изучаемых ситуаций, поскольку они не дают пол-ного представления об истинной картине бедствия. Следует иметь в виду, что существуют природные стабильные зоны с кризисными и бедственными признаками, которые не являются не только антропогенными, но и динамичными. Так, известные биогеохимические провинции (например, на Южном Урале или на Алтае) по статическим биогеохимическим показателям могут быть отнесены к зонам экологического кризиса. Вместе с тем по динамическим критериям они таковыми не являются, так как повышенные концентрации металлов в почвах и расте-ниях были здесь до антропогенеза. Точно так же нельзя считать зонами экологического бедствия изначально не закрепленные пески (например, Арчадинские, относящиеся к плейстоцену), устойчивые природные эрозионные комплексы и т.п.

По этому показателю В.В. Виноградов выделяет четыре класса динамизма растительного покрова.

Стабильные территории со скоростью изменений менее 0,5 % площади в год подвержены лишь разногодичной и ци-кличной флуктуации.

Умеренно динамичные территории со скоростью измене-ния до 1–2 % площади в год, полная смена которых происхо-дит за 50–100 лет и которые формируют слабовыраженные тренды, соответствуют зонам экологического риска.

Среднединамичные территории со скоростью изменений до 2–3 % площади в год, полная смена которых происходит в течение 30–50 лет с выраженной формой тренда, соответству-ют зонам экологического кризиса.

Сильнодинамичные территории со скоростью изменений свыше 4 % площади в год, полная смена которых происходит ме-нее чем за 25 лет, соответствуют зонам экологического бедствия.

Для выявления скорости смен и исключения разногодичных колебаний при выделении зон экологического бедствия необхо-дима представительная продолжительность наблюдений. Счи-тается, что минимальный срок для определения линейной ско-рости изменений составляет 10, а нелинейной – 20–30 лет.

169

Ãëàâà 12

ÝÊÎËÎÃÈ×ÅÑÊÈÅ ÏÐÎÁËÅÌÛ ÄÅÃÐÀÄÀÖÈÈ ÏÎ×Â

12.1. Äåãðàäàöèÿ ïî÷â — ãëîáàëüíàÿ ýêîëîãè÷åñêàÿ ïðîáëåìà

Земля является универсальным и незаменимым природным ресурсом, от рационального использования и охраны которого зависит устойчивое социально-экономическое и экологическое развитие мирового сообщества и отдельных стран. Отличи-тельной чертой и особенностью земли является многофункцио-нальность ее использования различными видами хозяйствен-ной и иной деятельности.

Особую роль земля и ее ключевой компонент – почва – играют в сельском и лесном хозяйствах. Здесь они выступают как средства производства и предмет приложения труда, с по-мощью которых производятся необходимые для жизнедеятель-ности человека растения. При этом всегда следует помнить, что земля, т.е. почва, является важнейшим компонентом эколо-гических систем суши и биосферы в целом.

Почвенный покров планеты играет главенствующую роль в механизмах регуляции биосферных процессов, поддержании устойчивого функционирования экосистем. Одновременно он выполняет роль универсального биологического поглотителя, разрушителя и нейтрализатора различных загрязнителей, а также определяет скорость и содержание биохимического кру-говорота веществ, уровень плодородия земель. Поэтому любое практическое использование земельных ресурсов должно быть направлено на максимальное их сохранение и увеличение про-изводительной способности почв.

Одной из актуальных проблем при таком использовании является развитие процессов деградации земель, вызывающее негативные экологические последствия и экономические из-держки. Согласно Конвенции ООН по борьбе с опустынивани-ем/деградацией земель, «деградация земель» означает сниже-ние или потерю биологической и экологической продуктивно-сти богарных пахотных земель, мелиорированных пахотных земель или пастбищ, лесов и лесных участков в результате землепользования либо действий одного или нескольких про-цессов, в том числе связанных с деятельностью человека и структурами расселения, таких, как ветровая и (или) водная

170

эрозии почв; ухудшение физических, химических и биологи-ческих или экономических свойств почв; долгосрочная потеря естественного растительного покрова.

Процессы деградации земель получили развитие в той или иной степени на территории Беларуси. Они обусловлены, как правило, совместным воздействием природных и антропоген-ных факторов при нерациональном использовании земельных ресурсов. Это обстоятельство определяет востребованность необходимости разработки неотложных мер по борьбе с дегра-дацией земель в нашей стране как важной составляющей эко-логического оздоровления природной среды и устойчивого развития республики.

В условиях ускоряющегося экономического развития, со-провождающегося вовлечением в хозяйственное использова-ние все большего количества природных ресурсов и новых территорий, нарастает угроза глобального экологического кри-зиса. Одним из проявлений кризиса является развитие процес-сов деградации земель. Последние приобретают общеглобаль-ный характер и связаны, главным образом, с массовым уни-чтожением естественных экосистем, нерациональным исполь-зованием и истощением земельных ресурсов, усиливающимся техногенным загрязнением почв.

В настоящее время хозяйственной деятельности подверг-нуто свыше 63 % поверхности суши. Человеческая цивилиза-ция потребляет до 40 % первичной продукции биосферы, из которых лишь около 10 % используется непосредственно на потребление, а 30 % попутно разрушается.

За последние 100 лет общая площадь пахотных земель воз-росла в 2 раза и составила 1,34 млрд га. При этом прирост пло-щади опустыненных территорий составил свыше 150 млн га, площадь лесов уменьшилась на 750 млн га (из них 200 млн га за два последних десятилетия). Превышение экологического предела (хозяйственной емкости) биосферы в отдельных ре-гионах земного шара привело к дестабилизации природной среды, в том числе росту площади земель, подвергнутых де-градации. По данным организации продовольствия и сельско-го хозяйства (ФАО) ООН, около 40 % пахотных земель мира в разной степени деградировано, и ежегодно площадь таких зе-мель увеличивается на 15 млн га. Существенный экономиче-ский ущерб и негативные экологические последствия нерацио-нального использования земель вызываются ветровой и вод-ной эрозиями, истощением почв, их переуплотнением, засо-лением и другими неблагоприятными процессами.

171

Возрастание реальной угрозы глобальной деградации зе-мель, ведущей к нарушению устойчивости биосферы, также обусловлено наблюдаемыми изменениями климата, что прояв-ляется в расширении территорий, подверженных опустынива-нию и затронутых засухами и засушливыми явлениями. Обыч-но процессы опустынивания, сопровождающиеся уменьшени-ем биологической продуктивности экосистем, уменьшением плодородия почв, связывают с аридными и полуаридными ре-гионами земного шара. Однако в последние несколько десяти-летий процессы опустынивания все чаще дают знать о себе в гумидной зоне, проявляясь в ухудшении экологического со-стояния земель. В первую очередь это связано с увеличением общего количества, частоты и продолжительности засух и за-сушливых явлений, а также осуществлением на их фоне ин-тенсивного использования земель, коренным преобразованием водного режима при гидромелиоративном строительстве, чрез-мерной фрагментацией естественного растительного покрова, созданием крупномасштабных территориальных структур сельскохозяйственного землепользования и др.

Все это послужило толчком разработки согласованных и скоординированных действий отдельных государств, заинте-ресованной общественности, ученых и практиков в борьбе с опустыниванием и деградацией земель. Данной цели служит принятая и ставшая открытой для подписания в 1994 г. страна-ми мирового сообщества соответствующая Конвенция OOH. Это одно из приоритетных международных соглашений в об-ласти охраны окружающей среды, безопасного и устойчивого использования земельных ресурсов.

12.2. Ôàêòîðû è ôîðìû ïðîÿâëåíèÿ äåãðàäàöèè ïî÷â

Деградация почв является одной из наиболее актуальных экологических проблем Беларуси, сдерживающим фактором ее устойчивого развития. Проявление деградации почв в раз-личных формах связано и обусловлено особенностями функ-ционального использования территории Беларуси, несоблюде-нием норм и правил рационального использования и охраны земельных ресурсов.

Увеличение вероятности проявления процессов деградации почв во многом связано с наличием на территории республики экологически неустойчивых почв, значительная часть которых

172

используется для сельскохозяйственных целей, а также занята населенными пунктами, промышленными и другими хозяй-ственными объектами.

Для земельного фонда Беларуси характерна высокая сте-пень его хозяйственной освоенности. Данная ситуация сложи-лась в результате долголетней государственной земельной по-литики, целью которой являлось расширение площади сель-скохозяйственных земель. Этот приоритет был обоснованием для широкомасштабного освоения и вовлечения в сельскохо-зяйственный оборот все новых и новых земель, от огромных болотных массивов до мелкоконтурных западин на пахотных землях и т.д. В ряде случаев освоение таких земель не было достаточно обосновано ни с экономической, ни с экологиче-ской точек зрения, а, самое главное, приводило к расширению масштабов деградации земель.

Несмотря на реализацию целого ряда отраслевых про-грамм, стратегий и планов действий, затрагивающих отдель-ные вопросы, связанные с охраной и рациональным использо-ванием земельных ресурсов, решение этих проблем в респу-блике пока недостаточно эффективно. Основным сдерживаю-щим фактором является отсутствие в Беларуси стратегии и скоординированной программы действий по борьбе с деграда-цией почв, разобщенность усилий государственных органов, недостаточное участие неправительственных организаций, низкая информированность и вовлеченность землепользовате-лей и землевладельцев в данный процесс.

В последнее десятилетие процессы деградации почв имели тенденцию усиливаться в результате изменения климата и, прежде всего, увеличения частоты проявления засух, замороз-ков и других экстремальных климатических явлений.

Применительно к природно-территориальным условиям и особенностям хозяйственного использования земель Беларуси деградация почв проявляется в следующих основных формах:

водных, ветровых эрозиях; химическом, в том числе радионуклидном, загрязнении; деградации и ухудшении свойств почв, особенно тор-

фяных, при сельскохозяйственном их использовании;деградации почв в результате добычи торфа, строитель-

ных материалов, дорожного и других видов строительства, а также их затопления и подтопления;

173

деградации торфяных почв на осушенных болотных мас- сивах в результате торфяных пожаров;

деградации почв лесного фонда в результате нерацио- нального лесопользования и лесных пожаров;

деградации почв при чрезмерных рекреационных, техни- ческих и других антропогенных нагрузках.

По данным Белорусского НИИ почвоведения и агрохимии НАН Беларуси, общая площадь эродированных и эрозионно опасных почв на сельскохозяйственных землях составляет более 4,0 млн га, в том числе на пахотных землях – около 2,6 млн га. Из них водной и ветровой эрозиям подвергнуто 556,5 тыс. га земель, из котрых 479,5 тыс. га на пашне. Доля водной эрозии на этих землях составляет 84 %, а ветровой – 16 %. Наиболее интенсивно процессы водной эрозии почв протекают на скло-нах 3о и более, которые занимают 34,6 % пашни.

В Беларуси преобладают почвы с потенциальным смывом 1–10 и 10–20 т/га в год. Почвы с потенциальным смывом более 40 т/га в год занимают невысокий удельный вес и расположе-ны в центральной и восточной частях республики.

Дефляционно-опасные почвы, к которым отнесены песча-ные и рыхлопесчаные, а также осушенные торфяные почвы, составляют около 30 % пашни.

В результате разнообразной хозяйственной деятельности, жи-лищного, дорожного, гидромелиоративного строительства, а так-же добычи полезных ископаемых, в некоторых регионах Белару-си земли подвергнуты коренной техногенной трансформации.

Ярким примером полного техногенного преобразования земной поверхности является район добычи калийных солей, где шахтным способом извлекается порядка 30 млн т породы в год. Более 20 млн т солей и засоленных горных пород поступа-ет в солеотвалы. За время функционирования ПО «Беларусь-калий» с начала 60-х гг. XX в. на ранее плодородных землях скопилось свыше 730 млн т твердых глинисто-солевых шла-мов на площади около 2 тыс. га. В результате ведения подзем-ных работ происходят процессы деформации и сдвиги горных пород, что привело к просадкам поверхности земли на терри-тории 120–130 км. В пределах просадок, достигающих неред-ко 3,5–4 м, происходит деградация почв, развиваются процес-сы заболачивания и подтопления.

К другим факторам, вызывающим значительную трансфор-мацию почв, относятся жилищное, дорожное, мелиоративное и гидротехническое строительство. Они привели к преобразо-ванию земной поверхности на территории свыше 10 тыс. км.

174

Техногенное преобразование почв не только непосредствен-но воздействует на земную поверхность, но и активизирует мно-гие процессы, которые приводят к деградации земель (развитие отвалов, осыпей, размывов, оползней, оврагов, разрушение бере-гов водных объектов, проявление дефляции почв и др.).

Значительная трансформация почв связана с военными со-оружениями и полигонами, площадь которых в республике со-ставляет около 2 %. Интенсивное воздействие на природные экосистемы, и особенно почвы, связанное с применением тя-желой военной техники, проведением военных учений, приво-дит к деградации земель и формированию пустошей. Этому способствуют также строительство различных наземных и под-земных объектов, проведение боевых стрельб, взрывных работ, пиротехнических, противохимических и других мероприятий.

Процессы деградации почв характерны и для территории Беларуси, занятой естественной, в том числе лесной, расти-тельностью.

В лесном фонде расположена значительная доля эродирован-ных и эрозионно опасных земель. Их площадь заметно увеличи-лась в последние годы за счет передачи на баланс лесного хозяй-ства низкопродуктивных, не покрытых лесом земель, нередко подвергнутых разрушению. Активизации водной, а на песчаных почвах – ветровой эрозии способствуют сплошные рубки леса, которые остаются доминирующими в современном лесопользо-вании республики. Нередки случаи переосушения лесных зе-мель под влиянием прилегающих к ним гидромелиоративных объектов, используемых в сельскохозяйственных целях.

Большую угрозу почвенному покрову республики пред-ставляют пожары в лесах и на торфяниках, что обусловлено как природными (длительные засухи и засушливые явления), так и антропогенными факторами. В результате таких пожаров происходит невосполнимая потеря запасов торфа, резко изме-няются экологические условия, восстановление которых про-исходит в течение сотен лет.

12.3. Õèìè÷åñêîå çàãðÿçíåíèå ïî÷âêàê ôàêòîð èõ äåãðàäàöèè

Химическое загрязнение почв приводит к их частичной или полной деградации вследствие нарушения почвенных процес-сов, разрушения органической и коллоидной ее частей, замед-ления микробиологических циклов, угнетения роста и разви-тия растительности.

175

Химическое загрязнение почв связано с крупными про-мышленными центрами и большими городами, где накаплива-ются огромные количества отходов, с интенсивным сельскохо-зяйственным использованием земель, при котором происходит внесение в почву химических веществ, в том числе отходов, содержащих различные поллютанты.

К числу химически загрязненных относятся земли, приле-гающие к крупным автомобильным и железнодорожным ма-гистралям.

Специальных широкомасштабных исследований почв ре-спублики по определению степени загрязнения их тяжелыми металлами не проводилось. В большинстве они связаны с мо-ниторинговыми наблюдениями на специальных реперных участках или же носят эпизодический научный характер. Одна-ко агрохимическое картографирование почв, когда почвы ис-следуются на содержание как макро-, так и микроэлементов, в перечень которых входят такие элементы, как цинк и медь, со-ставляющие группу тяжелых металлов, показало, что около 23 % сельскохозяйственных угодий имеют повышенное содер-жание или частично загрязнены этими элементами. Особую опасность представляют загрязненные почвы с низким уров-нем плодородия (кислые почвы с низким содержанием гумуса). На таких почвах резко увеличивается токсичность тяжелых ме-таллов и их миграционная способность. По результатам агро-химического картирования низкоплодородных почв с избыточ-ным содержанием цинка и меди в республике около 10 тыс. га.

Линейное распространение загрязнения тяжелыми метал-лами характерно для почв, расположенных вблизи автомаги-стралей. Вдоль дорог формируется экологически опасная по-лоса шириной до 50 м, основным загрязнителем которой явля-ется свинец. Концентрация этого металла в почвах придорож-ных полос в большинстве случаев превышает фоновые значения в 3–4 раза. Особенно в почвах легкого гранулометри-ческого состава. В данной полосе почв отмечается локальное накопление цинка и меди. Наиболее интенсивное загрязнение почв придорожных полос наблюдается в зоне до 15–30 м от дорог. Линейные зоны опасных концентраций тяжелых метал-лов прослеживаются вдоль автострад более чем на 42 тыс. км2 и вдоль железных дорог – на 5,5 тыс. км2.

Опасными источниками загрязнения почв являются пред-приятия химической промышленности, различные энергети-ческие установки, твердые производственные и коммуналь-ные отходы.

176

Наиболее экологически нестабильная ситуация сложилась на территориях, прилегающих к солеотвалам Солигорского месторождения калийных солей. Ежегодно с них смываются и уносятся ветром десятки тонн загрязняющих веществ, веду-щих к повышенной их концентрации в почвах. Это способ-ствует засолению всего почвенного профиля, вызывает угнете-ние и гибель растительности, загрязнение почвогрунтовых вод. Аналогичная картина наблюдается в районе Гомельского химического завода. Вокруг отвалов фосфогипсов в радиусе нескольких километров сформировалась огромная по площа-ди зона химического загрязнения с деградирующим почвен-ным покровом, характеризующимся сверхнормативным содер-жанием вредных веществ.

Опасные выбросы с широким набором химических соеди-нений с высокими концентрациями (ртуть, кадмий, свинец) наблюдаются в пыли металлообрабатывающих и машиностро-ительных предприятий, лакокрасочных производств. Около 90 % кадмия, цинка, олова, титана, 50 % никеля, загрязняю-щих атмосферу, затем осаждающихся на почву, выделяются при сжигании каменного угля, мазута, бытового мусора.

В Беларуси практически не наблюдается деградация почв из-за применения минеральных удобрений и пестицидов. Од-нако в последние два десятилетия получила распространение деградация почв от внесения избыточного количества жидкого навоза в виде стоков крупных животноводческих комплексов. Такие стоки имеют высокую удобрительную ценность, но вме-сте с тем содержат тяжелые металлы.

Наиболее опасным видом химического загрязнения почв в Беларуси является их радионуклидное загрязнение, вызванное аварией на Чернобыльской АЭС. Масштабы распространения радионуклидного загрязнения почв на территории республики не имеют аналогов в мире. В настоящее время его зона охва-тывает 23 % территории страны, в том числе 1,3 млн га сель-скохозяйственных и 1,6 млн га лесных земель. Из-за высокой плотности загрязнения почв цезием, стронцием, плутонием и невозможности получить чистую продукцию, 265 тыс. га зе-мель исключены из сельскохозяйственного оборота.

На нераспаханных землях радионуклиды сконцентриро-ваны преимущественно в верхнем (5–10 см) слое почв, а на обработанных и пойменных землях проникли на глубину 20 см и больше. Наблюдается латеральная (горизонтальная)

177

Таблица 12.1. Изменение плотности загрязнения пахотного горизонта дерново-подзолистых легкосуглинистых почв цезием-137 под влиянием

водной эрозии

Величина смыва почв, т/га в год

Плотность загрязнения, кБк/км2 Увеличение плотности

загрязнения, %Зона смыва Зона аккумуляции

Менее 5,0 466 196–736

52922–870

130–18

5,1 – 10,0 481192–596

618263–707

2817–35

10,1 – 20,0 351144–555

614207–1236

7525–127

* В числителе – средние значения, в знаменателе – интервал изменения.

миграция радионуклидов, что вызывает вторичное загрязне-ние почв и формирование выраженных аномалий. Подобное перераспределение радионуклидов происходит чаще под влиянием водной и ветровой эрозий почв (табл. 12.1).

В настоящее время доля подвижных форм цезия в дерново-подзолистых почвах – около 10 %, стронция – 70 %, в торфя-ных почвах –15 и 50 % соответственно. Основное количество стронция для дерново-подзолистой почвы находится в наибо-лее мобильных формах – водорастворимой и обменной, для торфяных почв – в низкорастворимой. Установлено, что рост альфа-ак тивности почв за счет америция будет продолжаться до 2060 г. Результаты расчетов показывают, что при учете вклада этого трансуранового элемента загрязнение почвы будет воз-растать. Это охватит около 4,0 тыс. км2 земельного фонда, или почти 2 % площади республики. Полученные данные свиде-тельствуют об обострении в будущем проблемы радионуклид-ного загрязнения почв в связи с ростом активности америция.

12.4. Ýðîçèÿ ïî÷â è åå àãðîýêîëîãè÷åñêèå ïîñëåäñòâèÿ

Исследованиями установлено, что процессы водной эрозии на пылеватых породах суглинистого гранулометрического со-става начинают проявляться уже на склонах с крутизной 1°, причем интенсивно в условиях Беларуси они протекают на склонах более 3°. Такие земли на пашне занимают 34,6 %.

178

Критическая скорость ветра, при которой происходит отрыв почвенных частиц и перенос их на открытых мелиорирован-ных территориях, составляет для торфяно-болотных почв 8–9 м/с, для песчаных почв – 5–6 м/с. Количество дней с эрозионно-опасными ветрами в Полесском регионе состав-ляет в среднем 19–22 % за год.

Эрозионные процессы наносят существенный экономиче-ский ущерб. Из обрабатываемых земель, подверженных эрози-онным процессам, выносится в среднем 10–15 т/га в год мел-козема почвы, теряется 150–180 кг/га гумуса, около 10 – азота, 4–5 – фосфора и калия, 5–6 кг/га – кальция и магния. Потери гумуса и элементов питания, ухудшение агрофизических, био-логических и агрохимических свойств отрицательно сказыва-ются на производительной способности почв. Недоборы уро-жая сельскохозяйственных культур на них в зависимости от степени эродированности составляют: для зерновых культур – 12–40 %; пропашных – 20–60; льна – 15–40; многолетних трав – 5–30 %.

Проявление эрозионных процессов в республике имеет ре-гиональные особенности.

В северной и центральной почвенно-географических про-винциях, в которых более выражен холмистый рельеф и пре-обладают почвы связного гранулометрического состава, наи-более активно протекают водно-эрозионные процессы.

В южной (Полесской) провинции, где выполнен большой объем осушительной мелиорации и преобладают почвы легкого гранулометрического состава, а также осушенные торфяные по-чвы, заметное развитие получили процессы ветровой эрозии.

В зависимости от степени эрозионной деградации и вели-чины смыва почвы на пахотных землях, подверженных водно-эрозионным процессам, выделяют пять агротехнологических групп (табл. 12.2). Такое деление позволяет дифференциро-вать использование земель и установить нормированную на-грузку на почвенный покров в зависимости от степени его эрозионной опасности.

К первой группе относятся земли с неэродированными и очень слабоэродированными полнопрофильными почвами на склонах с крутизной до 1°. Пахотный горизонт этих почв не нарушен, смыв почвенного мелкозема не превышает 2 т/га, что соответствует уровню предельно допустимого смыва для дерново-подзолистых почв Беларуси. Запасы гумуса в па-хотных горизонтах данных почв составляют 50 т/га и более.

179

Таблица 12.2. Агротехнологические группы земель по степени водно-эрозионной деградации почв Беларусии интенсивности сельскохозяйственного использования

Группы земель, площадь тыс. га

Степень эродированности почв

Смыв почвы, т/га

в год

Характеристика пахотного горизонта почвИнтенсивность использования

Степень разрушения Запасы гумуса, т/га

Объемная масса, г/см3

Пороз-ность, %

Первая, 493

Неэродированные и очень слабоэродированные на склонах с крутизной до 1о

< 2,0 (уро-вень ПДС)

Ненарушенный 50 и выше 1,15±0,14 56,1 Без ограничений

Вторая,570

Слабоэродированные на склонах с крутизной 1–3о

2,1–5,0 Частично разрушен, припахивается под-золистый горизонт А2

35–45 1,32±0,09 49,8 Со слабыми огра-ничениями

Третья,285

Среднеэродированные на склонах с крутизной 3–5о

5,1–10,0 Полностью разру-шен, распахивается А2 и верхняя часть иллювиального го-ризонта

20–30 1,43±0,08 44,1 С сильными огра-ничениями

Четвер-тая, 273

Сильноэродированные на склонах с крутизной 5–7о

10,1–20,0 Разрушены Ап и А2, распахивается гори-зонт В

10–15 1,51±0,11 39,6 С очень сильны-ми ограниче ния-ми

Пятая, 65

Очень сильноэродирован-ные на склонах с крутиз-ной более 7о

> 20,0 Разрушены Ап и А2, распахиваются го-ризонт В и подсти-лающая порода С

Меньше 10 1,57±0,09 38,2 Исключаются из состава обраба-тываемых

180

Они характеризуются благоприятными агрофизическими свойствами и могут использоваться в качестве обрабатывае-мых угодий без ограничений.

Ко второй агротехнологической группе относятся земли, расположенные на склонах с крутизной 1–3°, где распростране-ны в основном слабоэродированные почвы с величиной потен-циального смыва 2,1–5,0 т/га. Пахотный горизонт (Ап) частично разрушен, к нему припахивается нижележащий подзолистый горизонт (А2). Запасы гумуса, по сравнению с неэродированны-ми почвами, ниже на 20–30 %, заметно возрастает плотность сложения верхнего горизонта и уменьшается порозность. Земли этой группы нуждаются в небольших ограничениях в использо-вании. Пропашные культуры могут занимать здесь до 25 %, зер-новые – до 65 % и многолетние травы – до 30 %.

Третью группу составляют земли, расположенные на склонах с крутизной 3–5°. Чаще всего они представлены среднеэродиро-ванными почвами. Годовой смыв мелкозема составляет здесь 5,1–10 т/га, что ведет к полному разрушению пахотного горизон-та и распашке подзолистого и даже верхней части иллювиально-го горизонта (В). Запасы гумуса уменьшаются в 2–2,5 раза по сравнению с полнопрофильными почвами. При этом резко ухуд-шаются агрофизические свойства. В качестве обрабатываемых данные земли могут использоваться лишь с сильными ограниче-ниями. Возделывание пропашных культур исключается, а много-летние травы должны занимать от 30 до 50 %.

Четвертая группа представлена землями, расположенными на крутых склонах (5–7°). Почвы этой группы земель обычно сильно деградированы, пахотный горизонт их образован из ни-жележащего иллювиального. Среднегодовой смыв составляет 10,1–20 т/га мелкозема. Запасы гумуса в верхнем слое почвы – 15 т/га, что в 5 раз ниже, чем в почвах первой группы.

Плотность сложения составляет 1,5 г/см и более, а общая порозность снижается до 40 % и менее. Земли данной группы в качестве обрабатываемых угодий могут быть использованы ограниченно, в исключительных случаях. Доля многолетних трав здесь должна составлять от 50 до 80 %.

Пятая агротехнологическая группа земель расположена на очень крутых склонах. Среднегодовой смыв почвы состав-ляет более 20 т/га, что ведет к формированию в почвах крайне неблагоприятных агрохимических свойств. Земли этой груп-пы наиболее целесообразно выводить из состава обрабатыва-емых угодий.

181

12.5. Äåãðàäàöèÿ òîðôÿíûõ ïî÷â

Территория Беларуси характеризуется широким распростране-нием болот и заболоченных земель. Торфяные почвы различных типов и с разной мощностью торфа до начала их интенсивного хозяйственного использования занимали свыше 14,0 % от общей площади республики. Наибольшее количество торфяных почв (свыше 66,5 %) приурочено к региону Белорусского Полесья.

В Беларуси преобладают торфяные болота низинного типа, что составляет около 82 % общей площади торфяного фонда республики. В природе торфяные комплексы выполняют раз-нообразные функции: ландшафтную, аккумулятивную, биоло-гическую, газорегулирующую, геохимическую, гидрологиче-скую и климатическую. Все вышеназванные функции являют-ся биосферными, так как болота, будучи продуктом эволюции биосферы, оказывают большое влияние на экологические про-цессы. К сожалению, незаменимость и масштабность био-сферных функций болот практически не учитываются при вы-боре объектов мелиорации и добычи торфа, что следует при-знать ошибкой с крупными негативными последствиями.

Наибольшей угрозе подвержены торфяные болота в результа-те гидротехнической мелиорации и их использования как источ-ников топлива, органических удобрений и других компонентов.

В настоящее время в пределах территории Беларуси осуше-но около 1,45 млн га торфяных почв, из них для сельскохозяй-ственных целей – 1,1 млн га. В пользовании сельскохозяй-ственных предприятий находится свыше 0,97 млн га угодий на торфяных почвах различной мощности, ботанического состава и уровней окультуренности.

Большая часть (свыше 65 %) таких почв имеет мощность торфа до 1 м, а 90 % торфяных почв Белорусского Полесья подстилается рыхлыми песчаными отложениями.

Процессы деградации торфяных почв при осушении и по-следующем их сельскохозяйственном использовании опреде-ляются разложением и сработкой органического вещества торфяных почв.

Под сработкой понимается общая убыль торфа в результа-те минерализации, ветровой, водной, технической эрозий и вымывания. Сработка торфяных почв может выражаться поте-рей торфа в тоннах на гектар в год или линейной величиной уменьшения мощности торфа в сантиметрах в год. Если сра-ботка измеряется в линейных величинах (см/г.), то в нее, кроме

182

указанных выше составляющих, входит процесс физического уплотнения торфа при его обезвоживании под действием соб-ственной массы и проходов сельскохозяйственной техники.

Сработка торфа на осушенных торфяных почвах в Белару-си колеблется в пределах 0,5–12 см/г., или 3–20 т/га и более. На основании обобщения многочисленных данных по сработ-ке торфяных почв установлено, что наиболее характерными ее величинами для условий республики являются 1–4 см/г.

Сработка торфа по мере длительности сельскохозяйствен-ного использования уменьшается, но не прекращается. Сте-пень ее проявления во времени разная: в первые годы она про-текает более интенсивно, а в последующие годы снижается.

На основании данных многолетних наблюдений сработки торфа осушенных торфяных почв, используемых под возделы-вание различных сельскохозяйственных культур, подсчитано, что торфяные почвы мощностью до 1 м на стационарных площадках могут полностью лишиться торфа за 18–40 лет.

При сложившейся системе земледелия на осушенных тор-фяниках, при которой на них размещаются пропашные культу-ры, выращивается значительная доля зерновых, ежегодные по-тери органического вещества в перерасчете на торф 40 %-ной условной влажности составляет 9,43 млн т. В результате от-чуждения такого количества вещества происходит быстрое уменьшение мощности торфяной залежи с выходом на поверх-ность подстилающих песков.

К настоящему времени в Республике Беларусь деградиро-вано более 200 тыс. га торфяных почв, на которых слой торфа разрушен полностью.

Согласно прогнозным расчетным данным, к 2020 г. ожи-дается увеличение площади деградированных торфяных почв более чем на 10 %. Осуществление широкомасштабной ме-лиорации привело к резкому изменению соотношения осу-шенных болот и болот, находящихся в естественном состоя-нии (табл. 12.3).

Так, из 2,3 млн га болот, находящихся в 1960 г. в естествен-ном состоянии, в настоящее время осушено более 1,4 млн га. Чрезмерное осушение, неудовлетворительное состояние водо-регулирующих систем в сочетании с пренебрежением проти-вопожарной безопасностью часто приводят к возникновению

183

Таблица 12.3. Изменение площади торфяных болот Беларуси, га,с 1960 по 2010 г.

ОбластьОбщая

площадь болот (на 1960 г.)

Площадь болот в естественном состоянии(на 2010 г.)

Площадь осушенных

болот(на 2010 г.)

Доля осушенных болот, %

(на 2010 г.)

Брестская 669 364 270 721 398 642 59,6Витебская 328 018 218 210 109 807 33,5Гомельская 478 800 152 641 326 158 68,1Гродненская 155 363 43 983 111 379 71,7Минская 535 330 149 717 385 612 72,0Могилевская 183 692 65 449 118 242 64,4РеспубликаБеларусь

2 350 567 900 723 1 449 843 61,7

пожаров на торфяниках. В последнее десятилетие на фоне бо-лее частого и длительного по времени проявления засух и за-сушливых явлений торфяные пожары становятся заметным фактором деградации торфяных почв.

В большинстве случаев основными причинами возникно-вения пожаров на торфяных болотах являются: самовозгора-ние торфа (54 %); искры от транспорта и другой техники (30 %); неосторожное обращение с огнем (16 %). В засушли-вые периоды 2-й половины лета на болотах с нарушенным ги-дрологическим режимом верхний слой торфа может высыхать до относительной влажности 25–100 %. При такой влажности он может загораться и поддерживать горение в нижних, менее сухих слоях.

Серьезной и не до конца решенной проблемой Беларуси яв-ляется использование выработанных торфяных месторожде-ний. Общая площадь месторождений, в пределах которых на-ходятся нарушенные торфяные почвы, составляет свыше 330 тыс. га. Восстановление природоохранных и средоформи-рующих функций на основе разработок научно обоснованных направлений их использования является одной из приоритет-ных задач борьбы с деградацией земель.

12.6. Èçìåíåíèå êëèìàòà è ïðîáëåìà äåãðàäàöèè ïî÷â

Проблему деградации почв нельзя связывать только с хо-зяйственной деятельностью человека и нерациональным ис-пользованием земель. Несмотря на их очевидную роль в раз-

184

витии и распространении процессов деградации почв, все бо-лее существенное значение играют последствия изменения глобального и регионального климата.

В частности, наблюдаемое потепление в северных и цен-тральных районах Евразии вызвало увеличение максимальных и минимальных значений температуры, рост числа жарких дней, уменьшение амплитуды суточного хода температуры воздуха над сушей.

Тенденции и закономерности изменения климатических условий на территории Беларуси изучены достаточно полно и всесторонне. Установлено, что за весь период инструменталь-ных метеорологических наблюдений с 1881 по 2002 г. средне-годовая температура воздуха возросла почти на 1 °С и с 1988 г. она превышала норму. Отмечено изменение осадков на тер-ритории Беларуси, которое отличается выраженной неодно-родностью как в пространстве, так и во времени. Для северной части республики зимой и в отдельные месяцы теплого перио-да года (июнь – сентябрь) зафиксировано некоторое повыше-ние количества осадков; для южной и центральной частей Бе-ларуси, в особенности юго-востока Гомельской и Брестской областей, наоборот, – заметное их уменьшение.

Произошло существенное уменьшение осадков внутри года и в отдельные годы. Это явление участилось в августе, когда месячные значения осадков уменьшились почти на 25 %. В по-следние годы стали наблюдаться большие недоборы осадков в апреле – мае и рост осадков в феврале, июне. Число случаев засух и засушливых явлений на юге Беларуси возросло почти в 2 раза, а в ее центральной и северной частях – в 1,3 раза. За период с 1989 по 2002 г. наблюдалось 9 лет с засушливыми условиями. Они охватывали значительную территорию респу-блики в течение двух и более месяцев вегетационного перио-да. Произошло увеличение числа и расширение территориаль-ного проявления таких экстремальных метеорологических яв-лений, как заморозки, оттепели, ливневые осадки, ураганы, шквалы, грозы и др.

Предварительные сценарии оценки изменения климата в Республике Беларусь показывают, что при условии продол-жающегося повышения концентрации парниковых газов в ат-мосфере среднегодовая температура воздуха для временного среза 2001–2039 гг. возрастет на 1,4 °С, а для 2040–2069 гг. – на 2,3 °С.

185

Минимальная температура воздуха повысится соответ-ственно на 1,5 и 2,5 °С, а максимальная – на 1,3 и 2,2 °С. Это приведет также к изменению атмосферных осадков и более контрастному перераспределению их внутри года.

Почти повсеместно в Беларуси предполагается уменьше-ние урожайности сельскохозяйственных культур. Лишь в се-верных районах республики возможно небольшое увеличение урожайности озимых культур за счет улучшения теплового ре-жима вегетационного периода.

Несмотря на отсутствие четко выявленных соотношений и взаимодействий климатической и антропогенной составляю-щих опустынивания и деградации почв, данные связи очевид-ны. В первую очередь эти процессы затронут легкие по грану-лометрическому составу почвы (рыхло- и связнопесчаные), которые в настоящее время используются в сельскохозяйствен-ных целях. Общая площадь таких почв составляет более 600 тыс. гa. Указанные почвы отличаются малой влагоем-костью, быстро иссушаются и чаще испытывают недостаток влаги. Иссушению будут подвергаться также верхние горизон-ты торфяных почв, при этом наиболее часто и более продол-жительному воздействию – мелкозалежные торфяники на пло-щади около 580 тыс. га.

12.7. Îïòèìèçàöèÿ èñïîëüçîâàíèÿ ïî÷â

Важное направление в области охраны почв – оптимизация сельскохозяйственного использования земель Беларуси. Ее целью является исключение из активного использования низ-кокачественных, неустойчивых для земледелия земель, пере-ориентация их на более экономически эффективное и эколо-гически обоснованное использование. В ближайшем буду-щем планируется перепрофилировать около 800 тыс. га сельско хозяйственных земель, из них 444,1 тыс. га под улуч-шенные сенокосы и пастбища. Около 53 % площади таких почв расположено на осушенных землях. В несельскохозяй-ственные земли предлагается перевести 205,5 тыс. га, в том числе около 140 тыс. га – под залесение и 68 тыс. га – под вто-ричное заболачивание.

Оптимизация площадей обрабатываемых земель позволяет не только повысить эффективность земледелия незатратными методами, но и уменьшить риск деградации земель, создать более экологически устойчивые системы землепользования.

186

Национальная стратегия использования торфяных почв и, прежде всего, маломощных сводится к тому, чтобы в ближай-шие годы полностью вывести из севооборотов зерновые и пропашные культуры, оставив доминантом луговые травы длительного использования. Необходимо обеспечить развитие высокопродуктивного, экономически выгодного луговодства, считая его основой экологически безопасного земледелия.

Для восстановления всех биосферных функций болот пер-спективно заболачивание выработанных торфяных месторож-дений. К настоящему времени проведены работы по повторно-му заболачиванию на торфяных месторождениях в разных зо-нах Беларуси с общей площадью свыше 30 тыс. га.

Экологическая реабилитация обеспечивает возобновление не только болото- и торфообразовательного процессов, но так-же и всех биосферных функций болот. На восстановленных болотах можно создавать природоохранные зоны, улучшаю-щие состояние природной среды. Новая стратегия использова-ния выработанных торфяных месторождений исходит из того, что эти месторождения являются не только значительным тер-риториальным ресурсом, но и могут быть весьма эффектив-ным средством стабилизации и поддержания благоприятной природной среды после их повторного заболачивания.

С целью сохранения биологического и ландшафтного разно-образия на территории Беларуси планируется в ближайшие годы увеличить лесистость за счет облесения непригодных для сель-скохозяйственного использования и малопродуктивных земель, расширить систему защитных лесонасаждений.

По-прежнему актуальной остается задача образования но-вых охраняемых природных территорий, создания в Беларуси экологической сети и интеграции ее в общеевропейскую эколо-гическую сеть, сохранения типичных и уникальных ландшаф-тов, а также актуализация Красной книги Республики Беларусь.

Целям охраны естественного разнообразия почв Беларуси будет служить Красная книга почв, правовые и методические основы, а также организационные механизмы формирования и ведения которой только начали создаваться. В нее будут вклю-чены основные виды почв, имеющие важное экологическое и научно-познавательное значение для Беларуси. Требует совер-шенствования государственный учет земель, подверженных деградации. В нем целесообразно отражать земли по степени загрязнения и нарушенности при различных видах хозяйствен-ной деятельности, а также земли, подверженные эрозии, и т.д.

187

Ãëàâà 13

ÁÈÎÈÍÄÈÊÀÖÈß È ÁÈÎÒÅÑÒÈÐÎÂÀÍÈÅÂ ÀÃÐÎÝÊÎËÎÃÈÈ

13.1. Îáùèå ïîëîæåíèÿ

Согласно программе ЮНЕСКО «Человек и биосфера», многофункциональный комплекс экологического мониторинга представляет собой систему регулярных длительных наблюде-ний в пространстве и во времени, дающую информацию о со-стоянии окружающей среды с целью оценки прошлого и на-стоящего, а также прогноза в будущем параметров окружаю-щей среды, имеющих значение для человека.

К методам ведения мониторинга относится биологический метод, основывающийся на использовании биоиндикаторов.

Биологические индикаторы (биоиндикаторы) – виды, груп-пы видов или сообщества живых организмов, по наличию, степени развития, изменению морфологических, генетиче-ских, биохимических и других признаков которых судят о со-стоянии, специфических особенностях и свойствах окружаю-щей природной среды и ее компонентов, об антропогенных изменениях среды, в том числе о составе почвы, присутствии полезных ископаемых, обеспеченности территории микроэле-ментами, влагой, питательными веществами, наличии, составе и концентрациях в среде загрязняющих веществ. Например, обилие лишайников свидетельствует об отсутствии в воздуш-ной среде вредных примесей (особенно сернистого газа и со-единений свинца); ручейников – о чистоте воды; серных бак-терий – о сильном загрязнении воды и т.д.

Традиционно для эколого-токсикологической оценки при-меняют химико-аналитические методы. Они дают «момен-тальный снимок» картины загрязненности определенных объектов (воды, почвы, донных отложений и т.д.) конкрет-ными токсикантами. Однако они не могут отразить состоя-ние экосистемы в целом, оценить весь спектр загрязняющих веществ (поллютантов) и их взаимодействие друг с другом (эффект «коктейля»). Кроме того, существенные недостатки данных методов – их высокая трудоемкость, необходимость приобретения дорогостоящего высокоточного аналитическо-

188

го оборудования. При этом выявление спектра загрязняю-щих веществ – компонентов окружающей среды – не всегда позво ляет судить об их токсичности для теплокровных жи-вотных и человека. Для многих химических веществ не разработаны гигиенические нормативы (ПДК, пороговые дозы и т.п.), по ним можно оценить степень воздействия на человека.

В то время как приборы определяют лишь те вещества, для которых они предназначены, не реагируя на вещества, концентрация которых в воде или воздухе ниже предела об-наружения, биоиндикатор воспринимает все загрязняющие вещества. Очевидно, что возможности биоиндикаторов мо-гут служить важным дополнением к физическим и химиче-ским методам измерений. Но основывающаяся на использо-вании биоиндикаторов и включающая биоиндикацию и био-тестирование биодиагностика имеет вполне самостоятельное значение, позволяя выявлять причины или факторы измене-ния состояния среды.

Биодиагностика выступает в качестве средства интеграль-ной оценки воздействия поллютантов, что очень важно, на-пример, для установления подверженности агроценозов ан-тропогенным воздействиям.

Доступность, простота, экспрессность и надежность ис-пользуемых методов контроля определяют перспективность биодиагностики.

Биодиагностика включает в себя биоиндикацию и биоте-стирование.

Биоиндикация заключается в оценке качества среды обита-ния и ее отдельных характеристик по состоянию биоты в при-родных условиях.

Биотестирование представляет собой оценку (преимуще-ственно в лабораторных условиях) качества объектов окружа-ющей среды с использованием живых организмов.

Биоиндикация позволяет оценить общее состояние окру-жающей среды и выявить наличие в ее компонентах каких-либо загрязняющих веществ.

Биотестирование позволяет с помощью специально подо-бранных, высокочувствительных к загрязнениям животных биотестов определить интегральную токсичность проб с ис-следуемых территорий, оценить эколого-токсикологическое состояние агроценозов и возможные его последствия.

189

13.2. Áèîèíäèêàöèÿ

Биоиндикация позволяет на определенной территории не-посредственно наблюдать реакцию живых организмов в тече-ние длительного времени. Происходящие в природных систе-мах изменения при этом как бы фиксируются на кинопленке. Реакции, выявляемые в процессе биомониторинга, отражают отклик живых организмов на комбинированное воздействие поступивших в экосистему токсикантов, который затрудни-тельно оценить по результатам химического анализа. Биоин-дикация, отражая уровень загрязненности экотоксикантами, дает информацию о состоянии экосистемы в целом.

Среди биологических индикаторов целесообразно разли-чать биоиндикаторы уровней загрязнения и биоиндикаторы состояния экосистемы.

Биоиндикаторы уровней загрязнения представляют собой организмы-концентраторы. В них происходит интенсивное нако-пление (концентрирование) определенных поллютантов. В этом случае оценку загрязненности среды обитания (и биодоступно-сти токсикантов) осуществляют по отклику организмов, выра-жающемуся в определенных физиологических реакциях и в на-коплении токсикантов в определенных органах и тканях.

Накопление в организме животных или растений тех или иных загрязняющих веществ существенно отличается. Подо-брав биоиндикаторы, которые активно аккумулируют в своем организме интересующее нас в целях мониторинга вещество, можно целенаправленно изучать на различных территориях уровни антропогенного загрязнения. В этом отношении доста-точно убедительные результаты получены при использовании в качестве биоиндикаторов низших растений, и особенно эпи-фитных лишайников. Лишайники хуже, чем высшие растения, защищены покровной тканью, потому особенно чувствитель-ны к загрязняющим веществам. С их помощью определяют со-держание экотоксикантов в объектах окружающей природной среды. Способность индикаторных организмов к бионакопле-нию загрязняющих компонентов облегчает их определение традиционными химико-аналитическими методами.

Биоиндикаторы состояния наиболее полно и адекватно со-ответствуют конечным задачам экологического мониторинга. Считается, что индикаторный организм становится монито-ром, если может служить как для качественной характеристи-ки, так и для количественной оценки состояния среды обита-

190

ния или экосистемы. Например, молодые растения табака очень чувствительны к присутствию в воздухе фитооксидантов – озо-на и органических пероксидов. Поскольку легко регистрируе-мое изменение пигментации листьев вследствие их некротиза-ции линейно зависит от содержания в воздухе этих токсикан-тов, то использование растения табака позволяет сделать вывод о возникновении и степени тяжести «смоговой ситуации».

Успешное применение в качестве биоиндикаторов находят дикорастущие тест-объекты, в частности из семейства ряско-вых. Интенсивность фототаксиса хлоропластов в листецах ря-ски, оцениваемая по изменению количества хлоропластов в эпистофном положении, можно рассматривать как чувстви-тельный показатель, свидетельствующий о степени загрязне-ния элементов агроландшафта.

13.3. Áèîòåñòèðîâàíèå

В системе контроля состояния природных сред и экосистем важную и самостоятельную роль играет биотестирование. Суть этого метода заключается в определении действия токси-кантов на специально выбранные организмы в стандартных условиях с регистрацией различных поведенческих, физиоло-гических или биохимических показателей. Биотестирование широко применяют для контроля качества природных и ток-сичности сточных вод, при проведении экологической экспер-тизы новых технологий очистки стоков, при обосновании нор-мативов ПДК загрязняющих компонентов.

Применение биотестирования имеет ряд преимуществ пе-ред физико-химическим анализом, средствами которого часто не удается обнаружить неустойчивые соединения или количе-ственно определить ультрамалые концентрации экотоксикантов. Довольно часты случаи, когда выполненный современными средствами химический анализ не показывает наличия токси-кантов, тогда как использование биологических тест-объектов свидетельствует об их присутствии в исследуемой среде. Био-тестирование дает возможность быстро получить интегральную оценку токсичности, что делает весьма привлекательным его применение при скрининговых исследованиях.

В отличие от биоиндикаторов, одним из основных требова-ний к которым является толерантность, тест-объекты обычно выбирают среди наиболее чувствительных к загрязняющим компонентам видов.

191

Другое важное требование заключается в том, что воздей-ствие на тест-объект токсиканта должно вызывать ответную реакцию, аналогичную или близкую к реакциям лабораторных животных.

Знание механизмов специфического токсического действия позволяет ослаблять или усиливать действие токсиканта с по-мощью специально подобранных фармакологических средств. Если последние обладают селективностью, то в ряде случаев становится возможным с помощью тест-объектов не только об-наружить токсический эффект, но и произвести групповую иден-тификацию токсиканта. Усиление действия с помощью фармако-логических средств позволяет снизить порог обнаружения ток-сиканта, не прибегая к его концентрированию (прием, обычный при инструментальном физико-химическом анализе примесей).

По чувствительности и степени изученности среди других тест-объектов выделяют дафний, несколько видов микроско-пических одноклеточных зеленых водорослей из класса прото-кокковых и 5–6 видов рыб, как аквариумных (гуппи, данио-рерио), так и мелких аборигенных (голец, гольян). Опыт токси-кологического нормирования показывает, что при использова-нии этих видов биотестированием может быть охвачено более 80 % подлежащих контролю химикатов, загрязняющих воду.

Кроме того, для биотестирования применяются бактерии, водоросли (в том числе по степени встречаемости, по соотно-шению живых и мертвых клеток), высшие растения, моллю-ски, пиявки, ветвистоусые рачки, рыбы (главным образом, на ранних стадиях развития) и другие организмы. Каждый из этих объектов имеет свои преимущества и ограничения, и ни один из организмов не может служить универсальным «тесте-ром», одинаково чувствительным ко всем загрязняющим ве-ществам. Однако нецелесообразно бесконечно расширять круг биологических тест-объектов.

Для биотестирования почвенных образцов применяют дож-девых червей, олигохет (кольчатых червей) и различных насе-комых. Размножение дождевых червей в значительной степени зависит от наличия в перерабатываемом субстрате пестици-дов, тяжелых металлов и других поллютантов.

При наличии определенного количества вредных веществ в анализируемой пробе животные сигнализируют о токсичности изменением своего физиологического состояния или смертью.

192

13.4. Ôèòîèíäèêàöèÿ ñîñòîÿíèÿ ïî÷âåííîãî ïîêðîâà

Роль почвенного покрова в биосфере и хозяйственной дея-тельности человека общеизвестна. Тем большее значение при-обретает своевременная обоснованная оценка качественного состояния почв.

Диагностика почв использует достижения различных раз-делов почвоведения (минералогии, морфологии, физики и хи-мии). Нельзя, однако, упускать из виду, что физические и хи-мические показатели характеризуют относительно консерва-тивные признаки и свойства почв, которым необходимо дли-тельное время для своего проявления. Кроме того, определение соответствующих показателей нередко требует использования достаточно дорогостоящих и трудоемких методик. Получен-ные же результаты не всегда адекватно отражают степень под-верженности воздействию поллютантов такой сложнейшей системы, как почва.

Биологический способ индикации состояния окружающей среды и ее компонентов (в том числе и почвы) включает бота-нические, зоологические, микробиологические и биохимиче-ские методы.

Ботанические методы индикации и диагностики (мето-ды фитоиндикации). В настоящее время эти методы доста-точно хорошо разработаны и широко используются в практике почвенных исследований. Они составляют специальный раз-дел индикационной геоботаники, дают неплохие результаты при дистанционном изучении почв, грунтов, грунтовых вод, полезных ископаемых и др.

Фитоиндикация заключается в использовании как расти-тельного покрова, так и отдельных сообществ и видов в каче-стве показателя (индикатора) состояния исследуемых компо-нентов среды. Термин «фитоиндикатор» впервые предложил в 1914 г. А.П. Ильинский. Ученый рекомендовал выращивать растения в сосудах с одной и той же почвой, помещая их в раз-личные участки поля, а по отклонениям в биомассе определять влияние микроклимата поля на урожай.

Фитоиндикаторы являются следствием приуроченности от-дельных видов к определенному комплексу экологических условий. Индикаторные свойства проявляются как в наличии, так и в отсутствии того или иного вида.

Накопление большого фактического материала позволяет су-дить о степени гидроморфности, засоленности, кислотности или щелочности, а также о богатстве почв питательными элементами.

193

Например, по отношению растений к кислотности почв (рН) установлены группы, характеризующие приуроченность отдельных их видов к определенным значениям рН.

Наиболее кислым почвам (рН 3,0–4,5) соответствуют край-ние ацидофилы: белоус, скерда тупоконечная, ситник тощий, щучка, луговик извилистый, марьянник луговой, зеленые и сфагновые мхи.

Также кислые почвы (рН от 4,5–6,0 и до 6,5) можно опреде-лить по развитию умеренных ацидофилов: калужницы болот-ной, лютиков ядовитого и жгучего, фиалки собачьей, пырея со-бачьего, осоки пузырчатой, вейников ланцетного и наземного.

О несильно кислых почвах (рН 5,0–6,7; иногда до 7,2) свиде-тельствуют слабые ацидофилы: василистники светлый и про-стой, бубень душистый, вероника длиннолистная, осока ран-няя, смородина черная.

К группе ацидофилонейтральных эвритрофов (рН от 4,5 до 7,0 иногда до 7,5) можно отнести: чину луговую, смолку обыкновенную, нивяник, василек шероховатый, осоку заячью.

Особую группу составляют растения околонейтральных почв, хорошо развивающиеся при рН 6,0–7,3: лисохвост луго-вой, клевер горный и луговой, астрагал детский, мыльнянка лекарственная, борщевик сибирский.

По отношению к засолению почв различают растения незасе-ленных территорий – гликофиты и приспособленные к обита-нию на засоленных почвах – галофиты. К последним относятся солянки, верблюжья колючка, некоторые виды полыни, саксаул.

По приуроченности к гранулометрическому составу почв растения делятся на псаммофиты (растения песков) и пелито-фиты (растения глин). На каменистых и щебнистых субстратах произрастают растения-петрофиты (например, камнеломка).

Примером индикатора богатых питательными вещества-ми почв является крапива.

Морфологические признаки проявляются в изменениях окраски и формы листьев, строения корневой системы, шири-ны годичных колец деревьев; особенностях строения проводя-щей ткани; различиях в строении отдельных клеток и тканей; различных аномалиях.

Изменение морфологических признаков как реакция на за-грязнение хорошо прослеживается на лишайниках. Она про-является в слабой выраженности зоны роста, в неравномерном

194

развитии лопастей, которые приобретают неправильную фор-му, в изменении структуры верхней поверхности слоевища и ее окраски.

При выращивании ячменя на почвах, загрязненных медью, его листья утрачивают нормальную зеленую окраску и стано-вятся хлоротичными. Аналогичная реакция наблюдается у растений ячменя, томата и картофеля при избытке бора. При избытке марганца листья ячменя и стебли картофеля покрыва-ются буроватыми пятнами и т.д.

Физиологические признаки предполагают учет особенно-стей химического состава и обмена веществ (пигментов, бел-ков, жиров, величины осмотического давления, водоудержи-вающей способности, интенсивности транспирации).

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

По отношению к воде (по условиям водного питания) рас-тения делятся на фреатофиты (постоянно связаны корневой системой с грунтовыми водами – камыш, рогоз, тростник, бу-зина, крыжовник, терновник), корневая система некоторых из них может достигать 20–30 м; трихогидрофиты (связаны с ка-пиллярной каймой грунтовых вод); амброфиты (используют влагу атмосферных осадков); факультативные фреатофиты (существуют в зависимости от условий увлажнения как фреа-тофиты и как амброфиты).

13.5. Ïî÷âåííî-çîîëîãè÷åñêàÿè ìèêðîáèîëîãè÷åñêàÿ èíäèêàöèè

Почвенно-зоологические исследования диагностической на-правленности стали активно развиваться в середине минувше-го столетия. В 1950-х гг. почвенная зоология сформировалась как самостоятельная область науки. Выдающуюся роль в этом сыграли исследования академика М.С. Гилярова. Он же дока-зал возможность диагностики почв на основе изучения связей между типами почв и характерными для них почвообитающи-ми животными, особенно беспозвоночными.

Наибольшее влияние на состав почвообитающих животных оказывают такие свойства почв, как гранулометрический со-став и сложение, содержание и характер органических остат-ков и гумуса, реакция (рН) почвы и содержание карбонатов, гидротермический и солевой режимы.

195

На основании многолетних исследований М.С. Гиляров пришел к выводу о целесообразности использования обитаю-щих в почве животных для диагностики изменений почвенных условий и направления почвообразовательного процесса под влиянием хозяйственной деятельности человека.

Структура обитающих в почве животных, в частности та-кие ее показатели, как общая численность беспозвоночных, их трофические группировки, видовой состав и особенно количе-ственные сочетания видов в пределах отдельных групп по-чвенных животных, могут служить достаточно достоверными критериями для ландшафтной характеристики регионов.

Зоомасса мезофауны (тел огромного количества насекомых, червей, многоножек и других почвообразователей) является активным компонентом почвообразующего комплекса. В опре-деленной мере это – характеристика особенностей почвообра-зовательного процесса. Для многих почв показатели числен-ности беспозвоночных и их зоомассы, выраженной в г/м2 или кг/га, достоверно коррелируют с содержанием гумуса.

Поведенческие реакции различных представителей живот-ного мира также могут служить индикаторами состояния окру-жающей среды и отдельных ее компонентов. Например, в опы-тах по влиянию на пчел инсектицида дельтаметрина в под-острой дозе (в 27 раз ниже ЛД50) было установлено, что они теряли пространственную ориентацию. Пчелы не возвраща-лись в улей через 30 с после контрольного выпуска, что втрое превышает среднее время возврата контрольных особей. Свое-образным индикатором является продуктивность сельскохо-зяйственных культур, характеризуемая количеством биомассы на единицу площади.

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

Большой вклад в развитие и становление этого направле-ния внес академик Е.Н. Мишустин. Изучая распространение спорообразующих бактерий, в частности Bacillus mycoides, он обнаружил изменения морфологических и биохимических признаков данного вида в зависимости от экологических усло-вий. Так, под влиянием различных факторов окружающей среды меняются характер спирализации клеточных колоний,

196

активность каталитических процессов и др. Обстоятельными исследованиями Е.Н. Мишустина и его школы было показано, что, несмотря на широкий ареал спорообразующих бактерий, существуют зоны их оптимального развития.

Среди микроорганизмов выявлены виды, характеризующие как определенное состояние компонентов окружающей среды, в частности почв, так и изменения в функционировании ми-кробоценозов в различных экологических условиях.

Например, индикатором глубины минерализационных про-цессов является соотношение северных и южных видов ба-цилл. В экосистемах, где слабо протекают процессы транс-формации органического вещества, доминантами выступают северные виды: В. cereus, В. virgulus, B. agglomeratиs.

О глубокой минерализации органического вещества свиде-тельствует преобладание южных видов, таких, как В. теsen-tericus, В. subtilis.

Индикатором засоленных почв служит В. gasifacans и под-вид В. mesentericus – В. mesentericus subsp. niger, хорошей обе-спеченности почв азотом – В. megaterium.

В последние годы значительное внимание уделяют индика-ции состояния экосистем, подвергающихся антропогенному загрязнению. При этом изучают такие показатели, как биохи-мическое, физиологическое и морфологическое изменения микробиоты; динамика численности микроорганизмов; видо-вой состав; интенсивность функционирования; мутагенные эффекты и т.д.

Изменения морфологических и биохимических признаков внутри вида достаточно адекватно отражают нарушения в со-стоянии окружающей природной среды. Так, при наличии в по-чве высоких доз свинца (более 8000 мг/кг) изменяется морфоло-гическое строение В. mycoides. Скрученные, извилистые гифо-образные выросты распрямляются и становятся вытянутыми.

В этих же условиях изменяется энергия прорастания ми-кроскопических грибов. Она снижается примерно в 5 раз. Вме-сто 2–3 дней, по истечении которых грибы прорастают в нор-мальных условиях, продолжительность покоя увеличивается до 10–15 дней.

Показателем снижения устойчивости экосистем под влия-нием свинцового загрязнения является также изменение струк-туры микробного ценоза, в которой возрастает содержание микроскопических грибов. При этом иным становится характер метаболических процессов, и грибы начинают продуцировать

197

вещества, угнетающе действующие на растения. Сказанное подтверждается результатами опытов с растениями гороха (табл. 13.1). Согласно данным таблицы, экссудаты грибов, вы-деленных из почвы с низким уровнем свинцового загрязнения, почти не влияли на интенсивность прорастания гороха. Она оказалась практически такой же, как в водной среде. Прораста-ние же семян в культуральной жидкости грибов, выращенных в условиях максимально высокой дозы токсиканта (80 000 мг/кг), характеризуется наименьшей длиной корней проростков (3,5 ± ± 0,5 мм), что в 7 раз меньше, чем в контроле (24 ± 2,0 мм).

Таблица 13.1. Фитотоксичность микроскопических грибоврода Alternaria в условиях различного свинцового загрязнения

Доза свинца в опыте, мг/кг Вариант

Средняя длина корня проростков гороха, мм

Изменение длины корня

Токсичность субстрата, %в

процентах к контролю

в число раз

Контроль Вода 24 ± 2,0 100 – –80 Гриб 25 ± 1,0 104 – –800 То же 24 ± 0,8 96 0,04 48000 » 18,5 ± 1,0 78 1,4 2280000 » 3,5 ± 0,5 34 3,0 66НСР » 1,5 14 7,0 86

О повышении фитотоксичности грибов при возрастании почвенного загрязнения свидетельствуют результаты опреде-ления энергии прорастания гороха. В культуральной жидкости грибов, выращенных при высоких дозах свинца, энергия про-растания семян была существенно ниже, чем в контроле. И в контроле, и в варианте с невысоким загрязнением (80 мг/кг) более половины семян (65 и 56 % соответственно) прорастало уже через 30 ч. При загрязнении до 800 мг/кг у микроорганиз-мов существенно нарушался ход метаболических процессов, а продукты жизнедеятельности становились токсичными для растений. Так, у семян гороха, погруженных в экссудаты гри-ба, замедлялись ростовые процессы, резко снижалась энергия прорастания. Эти изменения можно было наблюдать уже через 18 ч после начала опыта.

Таким образом, структура микробного ценоза и продукты метаболизма микроскопических грибов можно не без успеха использовать для индикации загрязнения почв тяжелыми

198

металлами. Доза же свинца, составляющая более 80 мг/кг почвы, является пороговой. При ее превышении наблюдается снижение самоочищающей способности дерново-подзолис-той почвы, и она становится токсичной для растений.

Индикация загрязнения почв тяжелыми металлами возмож-на и по другим микробиологическим показателям. Увеличение дозы свинцового загрязнения приводит к массовому развитию стерильных актиномицетов, появляются черноокрашенные формы группы Niger, происходит снижение фитомассы.

В условиях загрязнения почв надежным индикатором их состояния является организация (структура) амилолитическо-го микробного сообщества, определяемая методом иницииро-ванного микробнного сообщества.

Данный метод позволяет выделить четыре зоны (уровни) устойчивости (по мере снижения) экосистемы: гомеостаза, стресса, резистентности и репрессии. Каждая зона характе-ризуется определенным структурным разнообразием, которое и обусловливает степень его воздействия на экосистему.

Для целей индикации несомненный интерес представляют показатели наличия в почве различных биологически актив-ных веществ, в том числе микотоксинов – продуктов жизне-деятельности микроорганизмов.

Отмечая в целом важное значение микробиологической ин-дикации состояния окружающей среды и ее компонентов, в частности почвы, с целью достаточно раннего обнаружения антропогенных нарушений в этой сложнейшей системе, сле-дует иметь в виду пока еще недостаточную изученность про-блемы и, как следствие, определенную ограниченность в ис-пользовании индикационных возможностей микроорганизмов. Здесь, безусловно, сказываются сложность и трудоемкость ми-кробиологических методов, динамичность микробиологиче-ских показателей, слабо разработанные систематика микро-бов, идентификация видов и т.д.

Повышение индикаторной ценности микробиологических показателей связано с определением общего состава видов и выделением среди них доминантов, имеющих экологическое значение в условиях конкретного местообитания, с учетом особенностей функционирования микробоценозов при антро-погенном загрязнении.

В последние годы серьезное внимание исследователей при-влекает проблема ландшафтной индикации загрязнения при-родной среды, суть которой заключается в том, что по состоя-

нию ландшафта и его морфологической структуры выявляется уровень загрязнения 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 модифика-ции составных частей ландшафта (природных комплексов раз-ного ранга, состояния отдельных компонентов или элемен-тов – атмосферы, вод, почв, растений, животных, литосферы).

По сравнению с биоиндикацией и биотестированием ланд-шафтная индикация требует не только установления ком-понентов-индикаторов, но и выявления показателей нарушен-ности вертикальных и горизонтальных связей в ландшафтах. Знание свойств морфоструктуры ландшафта, возможной глу-бины ее изменений имеет принципиально важное значение для прогноза его состояния при том или ином воздействии и модифицировании. Приведенные обстоятельства играют, не-сомненно, ключевую роль в решении задач формирования аг-роландшафтов и систем земледелия на ландшафтной основе.

В заключение необходимо отметить, что использование биоиндикации и биотестирования в агроэкологии для анализа и оценки состояния агроэкосистем не может ограничиваться только выявлением потенциальных загрязняющих веществ. Биодиагностика должна служить и для оценки эффективности технологий возделывания сельскохозяйственных культур, со-хранения устойчивости агроэкосистем, их биологического и генетического разнообразия.

200

Ãëàâà 14

ÝÊÎËÎÃÈ×ÅÑÊÈÅ ÏÐÎÁËÅÌÛÎÑÓØÅÍÈß ÏÎ× ÁÅËÀÐÓÑÈ

14.1. Ýêîëîãèÿ, ðàñïðîñòðàíåíèåè êëàññèôèêàöèÿ òîðôÿíûõ áîëîò

Болота относятся к сложным природным образованиям, возникновение и развитие их определяется геолого-геомор-фологическими, почвенно-литологическими, гидрологически-ми и климатическими условиями местности. Формирование происходит в течение длительного геологического времени. В основе функциональной структуры данных образований су-ществует тесная связь и взаимодействие как между отдельны-ми компонентами болотного комплекса, так и между торфом в целом и окружающей средой.

Торфяные болота как элемент экологической системы тес-но связаны с окружающим ландшафтом и выполняют опреде-ленные биосферные функции. Поэтому роль болотных ланд-шафтов прежде всего весьма сложна, многофакторна и отнюдь не регрессивна. Болота не являются природным злом, а пред-ставляют собой закономерное явление природы. Ресурсы тор-фа следует рассматривать как важнейшее национальное богат-ство с экономической и экологической точек зрения.

Специфика болотных геосистем заключается в преоблада-нии накопления органической массы на поверхности земли над ее разложением, что позволяет отнести болота к особому типу аккумулятивных систем биосферы. Аккумулятивная функция болот относится к категории незаменимых, так как только в болотах образуется специфический природный про-дукт – торф, который нигде больше не накапливается.

Торфяные месторождения отличаются высокой биологиче-ской продуктивностью, а их роль в выделении кислорода – аналогичная или выше роли леса. Моховые болота поглощают до 40 % парниковых газов. Если в состав ландшафта входят болота, то они оказывают решающее влияние на водный ба-ланс территории и определяют сток малых речных систем. Общеизвестна исключительно важная роль торфяных место-рождений в формировании местного климата и создании спе-

201

цифических условий для функционирования биологического разнообразия животного и растительного мира, которые в дру-гих местах не встречаются.

Торф представляет собой органогенную породу, содержа-щую не более 50 % минеральных веществ. Она образуется в результате отмирания и неполного разложения болотной рас-тительности в условиях повышенной влажности при недостат-ке кислорода. Первичная органическая продукция, создавае-мая растениями в болоте, почти не превращается во вторич-ную животноводческую, а консервируется и накапливается. Разрушение первичной биологической продукции бактериями и грибами не происходит.

Прирост торфяной залежи в неосушенном болоте идет не-прерывно, но очень медленно. Если принять, что на ныне ра-стущих торфяниках продуцируется в течение года в среднем около 3 т/га сухой органической массы, из которой образуется около 20 % торфа, то ежегодный прирост его составляет 0,6 т/га, т.е. метровый слой торфяной залежи накапливается лишь за 1,5–2,0 тыс. лет.

В мире сосредоточено около 350 млн га торфяных почв. Основные массивы в Европе расположены на территории Рос-сии – 56,6 млн га, на страны Западной Европы (Швеции, Гер-мании, Польши, Финляндии, Ирландии) приходится 51 млн га, на страны Азии – свыше 100 млн га, Северной Америки – бо-лее 18 млн га.

В таких индустриально развитых странах Европы, как Гер-мания, Нидерланды, Франция, Англия, Чехия, Словакия, Ав-стрия, Швеция, уже практически не осталось не затронутых производственной деятельностью человека торфяных болот.

Республика Беларусь выделяется в Европе как один из наи-более заторфованных регионов. Общая площадь торфяных ме-сторождений в границах республики до начала их интенсивно-го хозяйственного использования составляла 2,9 млн га (14 % территории). Торфяной фонд включает свыше 9 тыс. место-рождений. Первоначально выявленные и разведанные запасы торфа в республике превышали 4,7 млрд т. Прогнозные запасы оцениваются в 5,1 млрд т.

Основные площади торфяных месторождений сконцентри-рованы в Белорусском Полесье, более половины – мелкоза-лежные, практически повсеместно подстилаемые песчаными отложениями. Здесь осушено более 1,8 млн га заболоченных и переувлажненных земель, в том числе около 700 тыс. га торфя-ных болот.

202

В зависимости от состава растений-торфообразователей и условий торфообразования выделяют три типа торфа – низин-ный, переходной и верховой. Переходные торфяники, занимая промежуточное положение, стоят ближе к верховому типу. Не-которые исследователи выделяют, кроме того, смешанный тип торфяных почв.

По ботаническому составу торфяные залежи подразделя-ются на тростниковые, осоковые, гипновые, сфагновые, пуши-цевые, древесные и др.; по степени разложения раститель-ных остатков торфа – на слаборазложившиеся (степень раз-ложения до 20 %), среднеразложившиеся (20–35 %), сильно-разложившиеся (свыше 35 %); по содержанию минеральных веществ различают нормально зольные (зольность до 12 %) и высокозольные (12–50 %).

Разделяют торфяные почвы и по ряду других признаков: наличию древесины в залежи, степени кислотности, содер-жанию легкорастворимых солей и карбонатов в почвенном растворе, обеспеченности основными элементами минераль-ного питания, уровню окультуренности и т.д.

В Беларуси наиболее распространены торфяные болота ни-зинного типа. Они размещены на площади 2,4 млн га, что со-ставляет 82 % общей площади торфяного фонда. Эти торфя-ники представлены 8 видами торфов – древесными, древес-но-осоковыми, древесно-тростниковыми, осоковыми, трост-никовыми, тростниково-осоковыми, осоково-гипновыми, гипновыми, имеют высокую зольность (6–18 %) и понижен-ную кислотность (рН > 4). Высокое содержание азота (в среднем 2,6 %) и небольшая кислотность обусловили ши-рокое использование низинных торфяников в сельском хо-зяйстве и топливной промышленности.

По мощности органогенного слоя торфяные почвы низин-ного типа делятся на торфянисто-глеевые (до 30 см), торфяно-глеевые (30–50 см), торфяные маломощные (50–100 см), сред-немощные (100–200 см) и мощные (более 200 см).

Переходные болота встречаются в республике сравнитель-но редко и занимают промежуточное положение между участ-ками низинных и верховых болот. В процессе эволюции они переходят в верховые болота. Видовой состав переходных тор-фяников беднее по сравнению с низинными. Переходной торф имеет более низкую зольность (4–6 %) и содержание азота (2 %), более высокую кислотность (рН 3,8–4,7). Содержание

203

минеральных компонентов в золе таких торфов занимает про-межуточное положение в сравнении с низинным и верховым типами торфа.

Переходной торф со степенью разложения выше 30 % содер-жит значительное количество битумов, что позволяет использо-вать его в качестве сырья для производства торфяного воска.

Площадь переходных торфяных месторождений Беларуси составляет около 0,2 млн га. В сельскохозяйственном производ-стве эти торфяники эксплуатируются ограниченно. Переходные болота используются в основном в рекреационных целях, зна-чительные их площади находятся на территории заповедников.

Верховые болота образуются обычно на водораздельных территориях в условиях увлажнения атмосферными осадками. Имеют выпуклую поверхность. Вследствие питания водами, обедненными минеральными солями, на них развиваются оли-готрофные растения, в процессе разложения которых форми-руется верховой торф.

Торфяные почвы верхового типа отличаются сильнокислой реакцией среды (рН сол. 2,6–4,6), малой зольностью (до 5 %), слабым разложением органического вещества, высокой влаго-емкостью, небольшой объемной массой (0,03–0,1 г/см3). Ха-рактеризуются низкой биологической активностью и невысо-ким уровнем естественного плодородия, поэтому не представ-ляют большой ценности для освоения под сельскохозяйствен-ные угодья. Однако ресурсы верховых торфяников неоценимы с точки зрения получения из них высокоценных биохимиче-ских и других продуктов, необходимых для сельскохозяйствен-ного производства (парниково-тепличных грунтов, питатель-ных брикетов, торфорассадных горшочков и т.д.).

Верховым болотам отводится природоохранная роль, осо-бенно в верховьях малых рек. Они являются основными объ-ектами сбора клюквы. В Беларуси на болотных массивах Ель-ня и Заозерье образованы гидрологические заказники, созданы клюквенные заказники: Букчанский, Заболотье, Матевичский, Фалицкий Мох и др. Значительные территории верховых бо-лот находятся в Березинском биосферном заповеднике, Нацио-нальных парках (Припятский и Беловежская пуща).

Торфяные залежи верхового типа занимают свыше 13 % от общей площади торфяного фонда республики (0,3 млн га). Наибольшие площади их в Витебской (88,9 тыс. га), Мин-с кой (42,6 тыс. га), Могилевской (36,9 тыс. га) и Гомель-ской (35,9 тыс. га) областях.

204

Последнее пятидесятилетие характеризуется высокими темпами и масштабами использования имеющихся в респу-блике торфяных ресурсов. В результате уже 50 % площади торфяных месторождений относятся к антропогенно нарушен-ным. К настоящему времени оставшиеся геологические запа-сы торфа составляют 4373,0 млн т, а общая площадь торфяно-го фонда равна 2,4 млн га.

Наибольшее количество остаточных запасов торфа сосре-доточено в Минской (1,12 млрд т) и Витебской (1,16 млрд т) областях, наименьшее – в Могилевской (0,36 млрд т) и Грод-ненской (0,3 млрд т). Кроме того, имеется 523,8 тыс. га болот с площадью менее 1 га, которые не вошли в торфяной фонд и ресурсы торфа в которых пока не оценены.

В перспективе предусматривается увеличение природо-охранного фонда с 317,2 до 711,2 тыс. га.

Болота и торфяные месторождения республики интенсивно используются во многих отраслях народного хозяйства для разнообразных целей. Однако резко преобладает использова-ние их для нужд сельского хозяйства, где ведущим направле-нием является их освоение как потенциально плодородных почв для возделывания сельскохозяйственных культур.

В составе земельного фонда находится 1085,1 тыс. га тор-фяных почв, из которых 96 % составляют болотные почвы ни-зинного типа, и только на 4 % осушенной площади расположе-ны почвы верхового и переходного типов в комплексе с круп-ными низинными массивами.

Примерно 280 тыс. га (30,8 %) торфяных почв использует-ся в качестве пахотных угодий, остальные (69,2 %) отводятся под сенокосы и пастбища (табл. 14.1).

Таблица 14.1. Характер использования торфяных почв по областям республики, тыс. га

ОбластьВсего сельскохозяй-ственных угодий

на торфяных почвах

В том числе

под пашней

под сено ко са ми

подпастби щами

1 2 3 4 5

Брестская 208,6 84,3 84,4 40,5Витебская 55,5 15,8 33,9 6,1Гомельская 206,1 74,3 85,2 41,4

205

Окончание табл. 14.1

1 2 3 4 5

Гродненская 93,4 3,3 59,7 30,8

Минская 263,6 92,1 110,7 62,6Могилевская 74,7 8,2 42,5 24,3По республике 901,9 278,0 416,4 205,7В процентах 100 30,8 46,3 22,9

Эти земли концентрируются преимущественно в 12–15 районах Брестской, Гомельской и Минской областей.

В обозримой перспективе по-прежнему в основном осу-шенные торфяные месторождения будут использоваться для нужд сельского хозяйства, где ведущим направлением оста-нется их освоение как потенциально плодородных земель.

Земли обладают высоким потенциальным плодородием, которое оценивается в 75–80 баллов. Благодаря своему орга-ническому составу (85–90 %) им присущи высокое содержа-ние азота (3 % и более на сухое вещество), большая водоакку-мулирующая емкость (600 мм и более воды в метровом слое), тем самым они выгодно отличаются от дерново-подзолистых почв, что и давало основание для их осушения с целью расши-рения земельного фонда.

Ежегодные расходы торфа в Беларуси достигли высокого уровня. Они во много раз превышают годичный прирост тор-фа на оставшихся целинных болотах. С позиций охраны при-роды, сбережения и рационального использования природных ресурсов такое положение следует признать как негативное. Это означает: в республике продолжается интенсивное рас-ходование вековых запасов торфяных ресурсов, что предъяв-ляет серьезные требования к рациональному и экономному использованию невозобновляемого природного ресурса. За-дача сводится к тому, чтобы переходить на наиболее эконом-ные в смысле использования природных ресурсов техноло-гии, находить новые возможности замены остродефицитных ресурсов менее дефицитными, а в ближайшей перспективе – установить и новые принципы отношений человека к приро-де, к своим собственным потребностям. Необходимо свести до минимума использование торфа на топливо и удобрения, чтобы ежегодный расход его на эти цели был компенсирован приростом на ненарушенных болотах.

206

Использование торфа на топливо – самая нерациональная статья его расхода. При сжигании торфа в топках его органи-ческое вещество уничтожается, а новой фитомассы при этом не создается, не представляет ценности и остающаяся после его сгорания зола. При этом отчуждение торфяной залежи при добыче торфа наносит ущерб окружающей природе созданием выработанных площадей. Большая их часть остается неустро-енной, не используется и по существу исключается из баланса продуктивных земель.

Для обеспечения потребностей в бытовом топливе вместо торфа было бы рациональным и экологически оправданным обеспечить вовлечение в топливно-энергетический баланс бу-рых углей и горючих сланцев. Разведанные залежи последних в республике превышают 11 млрд т. Не исключается здесь и бо-лее широкое применение для этих целей мазута и газа. Вме-сто торфа следует шире использовать на удобрения сапропеле-вые отложения, разведанные запасы которых в республике со-ставляют свыше 3,75 млрд м3. Добыча этого сырья улучшит экологическую среду крупных озер и явится существенной статьей в балансе органических удобрений. Применение тор-фа может быть оправданным только лишь на близко располо-женных к торфяным месторождениям бедных песчаных поч-вах с целью повышения водоудерживающей их способности.

Уникальность торфяных болот, выполнение ими важней-ших биосферных функций являются основной предпосылкой сохранения их в естественном состоянии. Практически без до-полнительных финансовых вложений эти своеобразные при-родные ландшафты способны обеспечивать воспроизводство жизненно необходимых для человека ресурсов.

По расчетам, проведенным институтом экономики НАН Бе-ларуси, социально-экономический эффект от осушения болот (стоимость производимой дополнительной продукции минус затраты на осушение) положительный. Однако необходимо учитывать социально-экономический ущерб от осушения бо-лот, состоящий из убытков от заготовки ягод, лекарственных растений, прекращения охоты и рыбной ловли, сокращения ареалов обитания редких животных, потери мест отдыха насе-ления, способности болота поглощать углекислый газ и выде-лять кислород. Поэтому с точки зрения народнохозяйственных интересов осушение торфяных болот не везде целесообразно, даже если не принимать во внимание эколого-экономические издержки, вытекающие из последствий постмелиоративной де-градации используемых торфяных почв.

207

Согласно научной концепции, допустимый предел окульту-ривания дикой природы не должен превышать 1/3 поверхно-сти земли. Территория же республики с учетом используемой пашни, лугов и пастбищ, искусственного происхождения ле-сов окультурена намного больше допустимой нормы.

В интересах сохранения здоровой экологической обстанов-ки следует прекратить дальнейшее окультуривание естествен-ной части территории, а сосредоточить хозяйственную дея-тельность на уже освоенной земле, направив основное усилие на биологическое ее обогащение.

14.2. Áèîñôåðíûå ôóíêöèè áîëîò

В природе болота выполняют разнообразные и специфич-ные функции: аккумулятивную, биологическую, ландшафт-ную, межкруговоротную, газорегуляторную, геохимическую, гидрологическую и климатическую. Первые четыре функции являются незаменимыми, т.е. такими, которые присущи только болотам, и никакие другие местообитания на суше – леса, луга, степи, сельскохозяйственные угодья – не способны их выполнять. Все вышеназванные функции являются биосфер-ными, так как болота, будучи продуктом эволюции биосферы и ее неотъемлемой частью, оказывают большое влияние на многие биосферные процессы.

Болота выполняли свои биосферные функции еще до появ-ления человека на Земле и продолжают их выполнять поныне. Несомненно, что все они важны и для человеческого обще-ства, однако с развитием человечества, кроме биосферных, болота начали выполнять новые функции, которые не имеют значения для природы, но весьма важны для человеческого общества: ресурсно-сырьевую, культурно-рекреационную и информационно-историческую.

Аккумулятивная функция болот относится к категории не-заменимых, так как только в болотах образуется специфичный природный продукт – торф, который нигде больше не накапли-вается. Аккумулятивная функция присуща также почвам и во-доемам, однако там аккумулируются другие природные веще-ства. Качество и скорость аккумуляции торфа зависят от ком-плекса физико-географических и геохимических факторов, в которых происходит формирование каждого торфяного место-рождения. Именно разнообразием факторов природной среды обусловлено наличие крупных и мелких торфяных месторож-

208

дений с различными типами и видами торфа. На территории Беларуси в голоцене сформировалось 9192 торфяных место-рождения с площадями от 1 га до 40 тыс. га и с торфяными за-лежами мощностью от 0,3 до 9,0 м, а общие геологические за-пасы торфа в республике до начала его промышленной разра-ботки оценены в 5,7 млрд т.

Суть биологической функции заключается в том, что болота являются местообитаниями специфичной флоры и фауны. Данная функция болот также относится к категории незамени-мых, потому что болотные виды биоразнообразия не могут су-ществовать в других местообитаниях, например на лугах, в лесах, степях или водоемах. Уничтожение болотных место-обитаний неизбежно ведет к сокращению биоразнообразия, поэтому представляет большую опасность.

Ландшафтная функция болот заключается в том, что боло-та образуют неповторимые болотные ландшафты, которые не могут быть заменены какими-либо другими ландшафтами. Бо-лота, взаимодействуя с прилегающими территориями, образу-ют разнообразные болотные комплексы, отдельными компо-нентами которых, помимо болот, могут быть озера, поймы рек и склоны местных водоразделов. Площади болотных комплек-сов, как правило, ограничены гребнями местных водоразде-лов, реже – площадями полных водосборов.

В зависимости от особенностей местности формируются четыре типа природных болотных комплексов: озерно-бо-лотные, пойменно-болотные, суходольно-болотные и слож-ные, представленные сочетанием не менее двух вышеназван-ных типов. Еще один, пятый тип, имеет антропогенное проис-хождение и именуется как мелиорированные болотные агро-ландшафты.

Межкруговоротная функция болот обеспечивает переход органогенных элементов – углерода, азота и других из малого биогенного в великий геологический круговорот веществ на Земле. Выполнение болотами этой функции связано с незамк-нутостью годичных биоциклов органического вещества в бо-лотной среде, благодаря чему ежегодно продуцируемое орга-ническое вещество полностью не разлагается и постепенно погребается последующими отложениями. В торфяных зале-жах зона биогенного круговорота ограничена торфогенным слоем, ниже которого начинается абсолютное преобладание геологических процессов. По мере нарастания торфяных зале-жей новые слои торфа переходят из торфогенного слоя в ниже-

209

лежащие, а вместе с ними осуществляется переход биогенных элементов из биогенного круговорота в геологический. Таким же свойством обладают и озера, хотя органогенные элементы откладываются там не в виде торфа, а в виде сапропеля или торфосапропеля. Учитывая, что озера являются первой стади-ей формирования торфяных месторождений, можно отнести межкруговоротную функцию болот к категории незаменимых, так как другие местообитания – леса, луга, степи – не облада-ют такой функцией.

Суть газорегуляторной функции состоит в том, что болот-ная растительность в процессе фотосинтеза выводит углекис-лый газ из атмосферы, связывая его в органическое вещество, которое после отмирания растений трансформируется в торф, превращающийся при наличии благоприятных геологических условий в бурый и каменный уголь. Это означает, что болота способны выводить из атмосферы углекислый газ и не возвра-щать его обратно в течение многих тысячелетий. Взамен вы-веденного углекислого газа в атмосферу выделяется эквива-лентное количество кислорода. В отличие от вышеуказанного леса и луга возвращают углекислый газ в атмосферу пол-ностью после минерализации органического вещества отмер-ших растений, т.е. в течение примерно 5–500 лет. В зрелых лесах устанавливается равновесие между выведением угле-кислого газа и кислорода из атмосферы и их возвратом. Газо-регуляторная функция болот тесно связана с их аккумулятив-ной и межкруговоротной функциями.

Геохимическая функция болот состоит в аккумуляции раз-личных химических элементов, поступающих в болота с ат-мосферными осадками, пылью, паводковыми и подземными водами. Торф является безупречным сорбентом двух-, трех- и поливалентных металлов, а также ионов аммония. Известны многие месторождения мергеля, известковых туфов, фосфа-тов, железных руд, урана и германия, сформировавшиеся бла-годаря тому, что торфяные залежи являются мощным геохи-мическим барьером на путях миграции элементов с природ-ными водами.

Гидрологическая функция болот состоит в поддержании вод ного режима не только на площади, занятой торфяными за-лежами, но и на прилегающих к ним территориях, озерах и реках. Осушение болот, особенно пойменного залегания, спо-собствует понижению уровней грунтовых вод на прилегаю-щих территориях, ведет к обмелению озер и рек.

210

Климатическая функция болот обусловлена их свойством смягчать колебания температуры и влажности воздуха, как на самих болотах, так и на прилегающих территориях. Благодаря этому вблизи неосушенных болот в меньшей степени проявля-ются кратковременные атмосферные засухи, весенние и осен-ние заморозки. Например, даже в самые засушливые периоды вблизи болот роса бывает обычным явлением.

Ресурсно-сырьевая функция болот проявляется в предостав-лении человеческому обществу таких важных ресурсов, как торф для топлива, удобрения, на химическую переработку и для использования во многих других направлениях. Не менее ценные ресурсы болот – древесина, лекарственные растения и лечебные торфяные грязи. Помимо этого, болота являются важным территориальным ресурсом, который используется для строительства, создания мелиорированных сельскохозяй-ственных угодий, лесопосадок и др.

Суть культурно-рекреационной функции состоит в том, что болота являются местами активного отдыха людей – сбора ягод, грибов, лекарственных растений, охоты, а также объекта-ми туризма и экологического образования.

Информационно-историческая функция болот заключается в том, что торфяные залежи хранят в себе информацию об исто-рии развития растительного покрова и динамики климата в прош лые эпохи. Носителями такой информации является пыльца и споры растений, привносимые на болота с окружаю-щих территорий и хорошо сохраняющиеся в торфяных залежах.

По масштабам проявления природных функций болот мож-но выделить пять уровней: космический, планетарный, регио-нальный, местный и объектный.

Космический уровень обусловлен космической ролью зеле-ных растений – их способностью улавливать световое излуче-ние Солнца и трансформировать его в химическую энергию органического вещества (1 га болота в условиях Беларуси мо-жет синтезировать до 14 т сухой биомассы). При средней кало-рийности растительной биомассы 4200 ккал на 1 кг это соста-вит до 58,8·106 ккал. Вся эта энергия есть не что иное, как ак-кумулированная болотными растениями энергия космоса. Из этого следует, что аккумуляция энергии в торфяных зале-жах – результат функционирования болот на космическом уровне. В связи с вышеизложенным совершенно очевидно, что болота, как и другие местообитания растений, не могут суще-ствовать без взаимодействия с космосом.

211

Планетарный уровень в наиболее полной мере характерен для таких функций болот, как биологическая и газорегулятор-ная. Общеизвестно, что болотные и околоводные птицы ис-пользуют болота для гнездования или отдыха при трансконти-нентальных перелетах. На белорусских болотах отдыхают и питаются птицы, ослабленные перелетами из Европы в Азию, а также из Африки и Ближнего Востока на север России и об-ратно. Многие из них остаются на гнездование в белорусских болотах. В связи с этим необходимо особо осторожно и тща-тельно выбирать объекты для мелиорации и промышленной разработки торфа, так как уничтожением болотных местооби-таний на путях массовой миграции птиц можно нанести ущерб общепланетарного масштаба.

К планетарному уровню проявления относится и газорегу-ляторная функция болот. Как показала авария на Чернобыль-ской АЭС, каждый, даже небольшой, участок земной поверх-ности постоянно обменивается через атмосферу массой и энергией со всей остальной частью планеты. Следовательно, каждое неосушенное болото участвует в глобальном процессе газообмена. Это означает, что воздух, очищенный белорусски-ми болотами от избытка углекислого газа и обогащенный кис-лородом, поступает на территории других государств. К сожа-лению, такой общепланетарной функции болот до настоящего времени правительствами разных государств не уделяется должного внимания, и болота, как важная составная часть «легких» планеты, продолжают уничтожаться.

На региональном уровне наиболее полно проявляются ги-дрологическая, климатическая и геохимическая функции бо-лот. Хорошо известен Полесский регион, где осушение боль-ших площадей болот (более 1 млн га суммарно в Белорусском, Украинском и Польском Полесьях) оказало иссушающее дей-ствие на почвы и привело к учащению атмосферных засух, поздневесенних и раннеосенних заморозков во всем регионе. Здесь гидрологическая и климатическая функции тесно связа-ны между собой, и отмеченные выше последствия обусловле-ны одновременным изменением обоих функций в региональ-ном масштабе.

На местном уровне наиболее отчетливо проявляются акку-мулятивная, гидрологическая, ландшафтная, климатическая и биологическая функции. Аккумулятивная функция болот не-посредственно связана с наличием ресурсов торфа и возмож-ностью их разработки или с использованием аккумулирован-

212

ного органического вещества на тысячах гектаров для созда-ния мелиорированных торфяных почв. Гидрологическая и климатическая функции на местном уровне проявляются со-вместно в зависимости от того, осушено болото или нет. Осу-шение болота делает местный микроклимат более контраст-ным, по сравнению с тем, который был до осушения. Биологи-ческая, ресурсно-сырьевая и культурно-рекреационная функ-ции на местном уровне проявляются всегда, так как многие компоненты биоразнообразия болот – клюква, брусника, ле-карственные растения, грибы, а также болотная дичь – явля-ются объектами потребления местного значения. При этом в каждой конкретной местности преобладают те или иные компоненты биоразнообразия.

Для объектного уровня наиболее важны аккумулятивная, гидрологическая, биологическая, ресурсно-сырьевая и культур-но-рекреационная функции, в меньшей степени – климатиче-ская. В зависимости от роли, которую каждый конкретный бо-лотный объект выполняет в природе, должны обосновываться мероприятия по его использованию. Например, если торфяное месторождение примыкает к озеру и образует с ним единую экосистему, то его не следует осушать для добычи торфа или под сельскохозяйственные угодья. В противном случае это не-гативно скажется на жизни озера. Не следует также осушать и те болотные объекты, которые являются местами массового обитания птиц или местообитаниями редких и исчезающих видов флоры и фауны.

14.3. Ýêîëîãè÷åñêèå ïîñëåäñòâèÿ îñóøåíèÿ ïî÷â Áåëàðóñè

Высокая переувлажненность и заболоченность территории Беларуси (66 % сельскохозяйственных угодий) обусловили не-обходимость проведения осушительной мелиорации, так как избыточная обводненность почвенного покрова была большим тормозом в экономическом и социальном развитии страны. Из-за переувлажнения земель землепользователи на почвах с нерегулярным водным режимом недобирали до 40 % урожаев сельскохозяйственных культур. Эти причины предопределили широкомасштабное гидромелиоративное осушение пере-увлажненных земель.

В результате реализации программ мелиорации в Беларуси в общей сложности к настоящему времени мелиорировано бо-лее 3 млн га заболоченных земель и болот, в том числе свыше

213

1,4 млн га торфяных болот, которые прекратили выполнение сво-их естественных биосферных функций и дестабилизируют био-сферные процессы. Подобных примеров мелиоративных преоб-разований в столь широких масштабах в мировой практике нет.

Весьма ощутимое воздействие на окружающую среду ока-зало осушение земель на начальном этапе мелиоративного строительства, так как оно проводилось почти без учета эколо-гических условий и требований охраны природных комплек-сов. С одной стороны, это делалось из-за недостатка средств и материально-технических ресурсов для создания экологически безопасных мелиоративных систем, с другой – в силу недоста-точного в то время уровня экологических знаний в области ме-лиорации и использования мелиорируемых земель. Последним можно объяснить бытовавшую десятилетиями концепцию об «излишках» воды на Полесье, которые надо сбросить. Чтобы быстрее сбросить «излишки» воды, началось спрямление рек и ручьев, служивших водоприемниками. При этом реализовыва-лась идея глубокого осушения болот и доказывалась нецелесо-образность увлажнения осушенных почв. Таким образом, дли-тельное время создавались мелиоративные системы без двусто-роннего регулирования водного режима почв, а на торфяных почвах возделывались пропашные и зерновые культуры.

Уже теперь обычным явлением в Полесье стали атмосфер-ные засухи. Общему иссушению Полесской низменности спо-собствует недостаточное количество созданных водоемов, на-пример в Беларуси построено менее половины запланирован-ных водохранилищ и прудов. По этой причине большая часть поверхностных и грунтовых вод безвозвратно сбрасывается в реки и уходит с территории Полесья. Почти все мелиоратив-ные системы не имеют водооборота и сбрасывают воду в водо-приемники без предварительной очистки от биогенных эле-ментов и пестицидов.

Многие годы вместе с осушением болот имело место осу-шение и ввод в эксплуатацию потенциальных низкоплодород-ных земель, которые вообще не следовало бы мелиорировать. Во многих случаях осушались песчаные и супесчаные почвы, подстилаемые песками, обладающие неустойчивым водным режимом и неблагоприятными агрономическими свойствами.

Не менее актуальной нерешенной общеевропейской эколо-гической проблемой является сохранение органогенного слоя мелиорированных торфяных почв, глубина которого под воз-действием процессов усадки, минерализации и дефляции еже-

214

годно уменьшается на 1–2 см. Продукты разрушения торфа за-грязняют атмосферу, грунтовые и поверхностные воды, а так-же сельскохозяйственную продукцию.

В результате вышеупомянутых процессов к настоящему времени в республике деградировало более 200 тыс. га торфя-ных почв. На их месте сформировались мозаичные почвенные комплексы с частичным выходом на поверхность подстилаю-щих песков.

Помимо негативных экономических последствий деграда-ция торфяных почв обусловливает существенное ухудшение экологической ситуации. Уменьшение мощности торфяного слоя вызывает ряд негативных процессов и явлений на приле-гающих к мелиоративным болотам землях и приводит к нару-шению экологического равновесия в природной среде: сниже-нию уровня грунтовых вод, пересыханию малых рек, выпаде-нию ценных растительных ассоциаций, ухудшению микрокли-мата, увеличению эвтрофикации вод в реках и озерах.

При интенсивном развитии процесса минерализации водо-растворимые продукты разложения торфа попадают в водо-приемники и загрязняют воду, которую потребляет население далеко за пределами мелиоративных объектов. По рекам При-пять и Днепр в Черное море с осушенных болот ежегодно по-ступает около 1,5 млн т минеральных веществ и до 700 тыс. т агрессивных водорастворимых органических веществ.

Полное разрушение торфяного слоя на больших осушен-ных территориях грозит Европе климатическими изменения-ми, деградацией водно-болотных систем общеевропейской значимости и перестройкой в худшую сторону всего комплек-са биоразнообразия.

Существование в настоящее время значительных площа-дей с нарушенным гидрологическим режимом значительно увеличило пожароопасную ситуацию на территории нашей республики. Почти ежегодно пожары наносят Беларуси огромный экологический и экономический ущерб. Выгора-ние верхних слоев торфа в условиях понижения уровня грун-товых вод приводит к значительным выбросам в атмосферу парниковых газов.

По данным Министерства чрезвычайных ситуаций, за по-следние 10 лет в республике зарегистрировано 42 211 пожаров на торфяниках площадью 62 458 га. Среднегодовое количество таких пожаров составляет 4221 на площади 6246 га.

215

Подземные торфяные пожары характеризуются беспламен-ным горением торфяного слоя почвы обычно глубиной 0,3–1,5 м. При малой мощности горящего слоя (до 0,3 м) эти по-жары называют подстилочно-гумусовыми. В замкнутом объе-ме заглубившегося очага горения выделяющееся тепло идет в основном на подогрев и подсушку соседних слоев торфа, что способствует его выгоранию до минерального грунта или до сильнообводненных слоев. Скорость распространения таких пожаров не превышает 7 м/сут, однако они отличаются устой-чивостью горения и продолжаются от нескольких дней до не-скольких месяцев.

Выгорание верхних слоев торфа в условиях понижения уровня грунтовых вод приводит к существенным изменениям состава растительности, резкому ухудшению условий обита-ния для многих видов птиц, в том числе находящихся под угрозой глобального исчезновения.

14.4. Ìåæäóíàðîäíàÿ çíà÷èìîñòü çàáîëî÷åííûõðå÷íûõ ïîéì, íèçèííûõ è âåðõîâûõ áîëîò

äëÿ ñîõðàíåíèÿ ãëîáàëüíîãî ðàçíîîáðàçèÿ

Болота и болотные комплексы представляют собой весьма специфичные и ничем незаменимые природные местообитания для биоразнообразия. Почти все виды растений и животных, обитающие на болотах, являются редкими или уязвивыми, так как могут существовать только на болотах, и сокращение пло-щади болот неизбежно ведет к сокращению их численности, а иногда и к полному исчезновению многих уникальных видов.

Наличие в Полесье сильнообводненных и сильно заболо-ченных пойм рек, низинных и верховых болот определило международную значимость данного региона для сохранения биоразнообразия.

Особенно велико значение территории Полесья для сохра-нения видов птиц, находящихся под глобальной угрозой ис-чезновения, – вертлявой камышовки, большого подорлика, ду-пеля, классифицируемых как уязвимые на мировом уровне и внесенных в Европейский красный список животных, находя-щихся под угрозой вымирания (IUCN).

Последние в Европе сохранившиеся в почти естественном состоянии слабоэвтрофированные низинные болота По-лесья являются важнейшим местом гнездования для вертля-

216

вой камышовки – вида, находящегося под угрозой глобаль-ного исчезновения. Центром современного ареала вертлявой камышовки является Полесская низменность, где отдельны-ми фрагментами расположено около 14 стабильных место-обитаний вида. В Беларуси выявлено 7 мест гнездования вида с общей численностью 6600–12 500 поющих самцов, что составляет около 60 % мировой популяции.

Состояние значительного количества видов птиц целиком зависит от состояния болотных экосистем, поскольку большая часть их популяций обитает именно на болотах. Так, на боло-тах верхового и переходного типов обитают следующие виды: скопа, змееяд, беркут, дербник, тетерев, белая куропатка, золо-тистая ржанка, фифи, большой улит, средний кроншнеп.

К массивам болот и прилегающим к ним заболоченным ле-сам приурочено обитание в регионе таких редких видов, как серый сорокопут, болотная сова, чернозобая гагара, серый жу-равль и др.

Не менее разнообразен и растительный мир. Раститель-ность белорусских болот имеет богатый флористический со-став, охватывающий 267 видов цветковых и высших споровых растений, в том числе 37 видов древесных и кустарниковых, 167 видов травяных растений, 31 вид сфагновых мхов и 32 вида зеленых мхов.

На белорусских болотах произрастает более 50 видов цен-нейших лекарственных растений, среди которых валериана, багульник, подбел, вахта и др., а также ягодные растения – клюква, брусника, голубика, черника.

Осушение болот и деградация естественных местообита-ний привели к значительному сокращению популяций многих видов животных и растений, в особенности водно-болотных видов. Основной причиной сокращения данных популяций было уничтожение их местообитаний или нарушение гидроло-гического режима, приводящее к их деградации.

Крупномасштабная осушительная мелиорация привела к исчезновению 11 видов растений с территории Беларуси. Популяции 33 видов растений из Европейского красного спи-ска значительно сократились.

Популяции редких видов флоры и фауны сокращаются в первую очередь потому, что в результате осушения умень-шились и стали фрагментированными площади пригодных для

217

них местообитаний. Сегодня данные виды встречаются лишь на ограниченном количестве естественных болот, а также ино-гда по периферии антропогенно нарушенных территорий.

Осушение болот в Беларуси было вызвано необходимостью улучшения социально-экономической сферы, однако планиро-вание мелиорации велось без достаточного экологического обоснования, что и явилось причиной сплошного уничтожения большей части болот, в том числе и имеющих международное значение для сохранения биологического разнообразия.

14.5. Àãðîýêîëîãè÷åñêèå îñîáåííîñòè èñïîëüçîâàíèÿ îñóøåííûõ òîðôÿíûõ ïî÷â

В основе охраны и дальнейшего использования торфяных почв – национального богатства Беларуси – лежит требование обеспечить высокую продуктивность возделываемых культур при экономном расходовании запасов органического вещества с целью его сохранения на возможно более длительный пери-од. Структура посевных площадей на торфяных почвах и зем-лях с их преобладанием определяется с учетом удельного веса этих почв в землепользовании.

Мощные и среднемощные торфяные почвы в основном отво-дятся под культурные луга длительного пользования, а торфяные почвы с мощностью торфа менее 1 м исключаются из пашни и ис-пользуются под многолетние злаковые и злаково-бобовые травы.

Все подтопляемые из-за неудовлетворительной работы ме-лиоративной системы площади торфяных почв необходимо исключить из состава пахотных земель и отводить только под луга длительного пользования.

Учитывая обширные площади осушенных земель в Белару-си, травы являются не только источником наиболее дешевых кормов, но и выполняют важные почвозащитные, а следова-тельно, и экологические функции. Стратегическое направле-ние травосеяния и луговодства на осушенных торфяных по-чвах – максимальное использование биологического азота на основе существенного расширения в составе травостоев бобо-вых компонентов.

Важным фактором, определяющим скорость минерализа-ции торфа, являются возделываемые культуры. Минимальные потери наблюдаются под многолетними травами, максималь-ные – при возделывании пропашных культур, а зерновые куль-туры занимают промежуточное положение.

Современное экологическое состояние торфяных почв в полной мере отражает допущенные в разные годы просчеты в осушении и сельскохозяйственной эксплуатации мелио-рированных земель. На значительных площадях торфяные по-чвы превратились в органоминеральные образования со слож-ным микрорельефом. Под воздействием процессов минерали-зации и дефляции площадь глубокозалежных торфяников в отдельных районах Беларуси сократилась в 2 раза, существен-но возросла площадь деградированных торфяных почв.

Последствия крупномасштабной мелиорации земель в Бе-ларуси имеют глобальный негативный аспект. Они вступили в противоречие с принципами биосферно-совместимого приро-допользования, основным из которых является использование природных ресурсов с наименьшим нарушением естествен-ных процессов.

Требует коренного пересмотра стратегия ведения сельского хозяйства на мелиорированных землях. Необходимо провести разукрупнение обширных открытых осушенных массивов пу-тем создания разделительных луговых или лесных полос, вы-вести часть деградированных осушенных болотных массивов из сельхозоборота для их повторного заболачивания, залесе-ния или другого природоохранного использования.

219

Ãëàâà 15

ÎÐÃÀÍÈÇÀÖÈß ÀÃÐÎÝÊÎÑÈÑÒÅÌ È ÈÕ ÎÏÒÈÌÈÇÀÖÈß

15.1. Ïðèíöèïû îðãàíèçàöèè àãðîýêîñèñòåì

Адаптивно-ландшафтное землепользование направлено на достижение более гармоничного взаимодействия человека и природы в процессе сельскохозяйственного производства. При этом следует иметь в виду, что если ландшафтоведение – уже сложившаяся область знаний, то ее важная ветвь – агроланд-шафтоведение – еще находится в процессе становления.

Агроландшафтоведение призвано изучать закономерности формирования и функционирования агроэкосистем, разраба-тывать методы моделирования новых систем земледелия, обо-сновывать пути конструирования оптимальных агроландшаф-тов (природно-хозяйственных территориальных систем сель-скохозяйственного назначения на локальном, топологическом уровне), решать актуальные проблемы социальной агроэколо-гии, формировать основы и вести разработку геоинформаци-онных систем агрономического назначения.

Принципы построения агроландшафтов, имеющие практи-ческое значение и основанные на «самовосстановлении» и «самоочищении» агроэкосистем и их компонентов, можно све-сти к следующим.

1. Принцип адекватности. Производственная деятельность в агроландшафтах должна соответствовать функциям биосферы, т.е. быть адекватной природным закономерностям окружающей среды. Этого можно достичь применением прогрессивных си-стем земледелия (выделением севооборотов с многолетними травами на склонах, заменой вспашки бесплужной обработкой и другими агротехническими приемами) с учетом экологических особенностей структуры сложившихся естественных ландшаф-тов. В результате образуются новые природно-хозяйственные комплексы, обеспечивающие более эффективное использование биоэнергетических ресурсов, с устойчивыми агроэкосистемами, имитирующими функции биосферы.

2. Принцип совместимости. Компоненты (элементы) терри-тории агроландшафтов проектируют и создают с учетом природно-антропогенной совместимости. Суть в том, чтобы эле-

220

менты территории агроландшафтов были органически взаимо-связаны и представляли единую систему, согласованную со стро-ением природных комплексов и хозяйственной деятельностью. В последующем новые и усовершенствованные агроландшафты развиваются под активным влиянием процессов, свойственных тем природным ландшафтам, которые и послужили для них фо-ном. Не совместимый с природной средой элемент территории играет роль некоего внешнего «раздражителя», нарушающего об-щую устойчивость природного комплекса (ПК). Недоучет этого ведет к излишним материальным затратам при создании агро-ландшафтов, а нередко и к быстрому разрушению последних.

Примером недостаточного учета фактора природно-антро-погенной совместимости при формировании ландшафтов мо-жет служить проектирование крупных прямоугольных клеток-полей на склонах сложной формы. Между тем целесообразнее было бы проектировать поля в виде горизонтально-контурных и полосных микрозон. В результате такого рода просчетов на-блюдается увеличение поверхностного стока, усиление водной эрозии почвы, заиление рек. Здесь явно сказывается отрица-тельное влияние ошибочных способов организации террито-рии: закладки защитных лесополос и обработки почвы вдоль склонов с пересечением горизонталей.

Это относится и к сооружению земляных валов у вершин оврагов, являющихся навязанным природе элементом. В дан-ном случае нарушается почвенный покров прилегающего участка, площадь под валом зарастает сорняками и выпадает из сельскохозяйственного пользования, ухудшается архитекто-ника ландшафта.

Положительным примером реализации данного принципа мо-жет служить залужение водосточных ложбин, контурная органи-зация территории на сложных склонах, мульчирование и т.д.

Совместный (полосный) посев низкорослой сои и высоко-рослой кукурузы позволяет растениям каждой группы лучше использовать солнечную энергию, углекислый газ, воду. В ре-зультате повышается интенсивность фотосинтеза, улучшается микроклимат. Урожайность сои в таких посевах на 18 %, а ку-курузы на 29 % выше, чем при их раздельном выращивании.

3. Принцип соответствия фитоценозов местообитанию. При структурировании агроландшафта важно грамотно вы-брать место размещения посевов и посадок различных групп сельскохозяйственных растений на неоднородных по экологи-ческим свойствам и расположению участках возделываемых

221

земель. Требуется также учитывать биологические особенно-сти имеющегося набора культур, чтобы обеспечить повыше-ние их урожайности при одновременном сохранении плодоро-дия почв. Практическую реализацию этого принципа следует рассматривать как необходимое условие формирования устой-чивых агроэкосистем. Вышесказанное наглядно подтвержда-ют данные, представленные в табл. 15.1, 15.2 и 15.3.

Таблица 15.1. Урожайность основных сельскохозяйственных культурв зависимости от условий рельефа, т/га (А.А. Варламов, С.Н. Волков, 1991)

Коэффициент расчлененно-сти, км/км2

Озимая пшеница Ячмень Сахарная

свекла

Кукуруза (зеленая масса)

0,3–0,4 2,44 2,27 28,7 31,20,7–0,8 2,15 2,04 26,1 24,61,1–1,2 1,97 1,88 25,6 27,91,5–1,6 1,74 1,65 22,4 25,7

Таблица 15.2. Сравнительная пригодность почв для возделывания сельскохозяйственных культур (А.А. Варламов, С.Н. Волков, 1991,

с изменениями)

Культура

Почвы по гранулометрическому составу

песча-ные

супесча-ные

легко-сугли-нистые

сугли-нистые

тяжело-сугли-нистые

глини-стые

тяжело-глини-стые

Пшеница 0 2 3 3 3 2 1Рожь 2 3 3 3 3 3 2Овес 1 3 3 3 3 3 2Ячмень 1 3 3 3 3 2 1Просо 1 3 3 3 3 2 1Кукуруза 0 3 3 3 3 2 1Гречиха 1 3 3 3 2 2 1Картофель 0 3 3 3 3 2 1Лен 0 1 2 3 3 2 1Свекла 0 2 3 3 3 2 1Капуста 0 2 3 3 3 2 1Морковь 1 3 3 2 3 2 1

Степень пригодности почв для возделывания культур: 0 – размещение противопоказано; 1 – в благоприятные годы можно получить неплохой уро-жай; 2 – неплохие почвы; 3 – наилучшие почвы.

222 Таблица 15.3. Сравнительная пригодность антропогенно-обусловленных участков для возделываниясельскохозяйственных культур с учетом природоохранных ограничений (А.А. Варламов, С.Н. Волков, 1991)

Зоны антропогенного воздействия

Степень пригодности для возделывания сельскохозяйственных культур

Зерно-вые

Карто-фель Лен

Сахар-ная

свекла

Силос-ные

Травы, в том числе

на сено, сеннаж

на зеленый корм

для выпаса

Почвоохранные

Осушенные торфяники:

до 1 м 2 0 0 0 0 3 3 2

1–2 м 3 1 0 1 0 3 3 1

более 2 м 3 2 0 2 0 3 3 1

Почвы с маломощным гумусовым горизонтом 2 1 1 1 1 3 3 2

Почвы легкого гранулометрического состава, подверженные дефляции

2 1 0 1 1 2 2 0

Почвы, подверженные водной эрозии:

в слабой степени 3 2 3 2 2 3 3 2

в средней степени 2 1 2 1 1 2 2 1

в сильной степени 1 0 1 0 0 2 2 0

223

Водоохранные

2-й пояс зоны санитарной охраны подземного водозабора

1 0 0 0 0 2 2 2

2-й пояс зоны санитарной охраны открытого водозабора

1 0 0 0 0 2 2 0

Водоохранные зоны малых рек 2 2 2 2 2 3 3 2

Прибрежные полосы малых рек 0 0 0 0 0 2 2 0

Территории загрязняемые

стоками животноводческих комплексов и ферм

1 1 2 1 1 2 0 0

выбросами промышленных объектов 2 1 3 1 1 2 1 0

выхлопными газами (вдоль автодорог с интен-сивным движением)

1 0 3 0 1 1 0 0

0 – непригодные; 1 – малопригодные; 2 – пригодные; 3 – наиболее пригодные.

224

4. Принцип приоритета фитомелиорации. При формиро-вании почвоохранных, самовосстанавливающихся и само-очищающихся агроландшафтов и агроэкосистем ведущая роль должна принадлежать фитомелиорации, что соответству-ет одному из важнейших законов земледелия – закону мини-мума (поскольку ограничивающим фактором часто является дефицит почвенной влаги, а растительная мелиорация спо-собствует формированию более устойчивого влагооборота в агроэкосистемах).

С учетом сказанного, практическая задача организации тер-ритории агроландшафта заключается в определении разумно-го соотношения между полем, лугом и лесом в увязке с други-ми компонентами.

5. Принцип пространственного и видового разнообразия. Аг-роэкосистемы следует создавать с учетом требования простран-ственного и видового разнообразия среды. Это соответствует существующей закономерности, согласно которой, чем разно-образнее и сложнее структура агроландшафта, тем выше его устойчивость, способность противостоять различным внешним воздействиям. Например, сохранение естественных компонен-тов улучшает микроклимат, способствует увеличению числен-ности животных, в частности птиц, питающихся насекомыми. Ландшафты, характеризующиеся большим видовым разнообра-зием, лучше самовосстанавливаются и самоочищаются, посколь-ку сложная мозаичность их строения способствует поддержа-нию устойчивости, а также природного и природно-антро-погенного равновесия. Под природным равновесием понимают первичное экологическое равновесие природной системы, сло-жившееся на основе баланса неизмененных или малоизменен-ных человеком компонентов среды и природных процессов. Природно-антропогенное равновесие – вторичное экологическое равновесие, образующееся на основе баланса измененных чело-веком компонентов среды и природных процессов.

6. Принципы оптимизации структуры и соотношения зе-мельных угодий. При землеустройстве агроландшафтов для определенного сельскохозяйственного региона землепользова-ния в соответствии с местными природными условиями уста-навливают экологически и экономически обоснованные струк-туру и соотношение размеров площадей пашни, лугов, леса и вод. Проблема рационального соотношения естественных и искусственных экосистем, несомненно, является одной из ключевых. По этому поводу сложились различные суждения.

225

Экологическое равновесие наблюдается тогда, когда про-центное соотношение между площадями естественных и пре-образованных экосистем составляет 60 : 40. Существует и та-кое мнение, что в агроландшафтах леса, луга, водные про-странства должны занимать не менее 30 % общей площади.

В целом же данная проблема требует серьезных дальней-ших проработок. Необходимы дифференциация соответствую-щих соотношений по географическим районам, изучение дина-мики вещественно-энергетических потоков при тех или иных структурах и соотношениях площадей естественных и преоб-разованных экосистем и т.д. Заслуживает также внимания раз-работка норм оптимального сочетания биотических составля-ющих ландшафта и технологических условий территории.

15.2. Îïòèìèçàöèÿ ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîéîðãàíèçàöèè àãðîýêîñèñòåì

Целевая установка сельского хозяйства объективно направ-лена на получение максимума биологической продукции. Со-образно этому развиваются (и будут развиваться) аграрные производственные системы. Между тем сугубо технократиче-ский подход к необходимому процессу интенсификации про-изводства в аграрном секторе вступил, как известно, в серьез-ное противоречие с возможностями поддержания природно-антропогенного равновесия. В конечном счете сработал прин-цип бумеранга в виде негативных последствий интенсификации для экологического состояния и продуктивности сельскохо-зяйственных угодий. Так, в районах сплошной распашки зе-мель и неоднократного проведения химических обработок по-севов ощущается столь существенный недостаток энтомофа-гов (насекомоядных организмов) и опылителей, что возникает угроза существованию природных биоценозов, формирова-нию урожая культурных растений.

Новейшие достижения экологии позволяют совершенство-вать существующие и разрабатывать новые методы ведения сельскохозяйственного производства, выявляя в растениевод-стве и животноводстве дополнительные резервы для стабили-зации агроландшафтов.

Важное условие экологизации сельского хозяйства – ис-пользование биоценологических экосистемных принципов. От практики поддержания на полях только продуцентов –

226

культурных растений – следует переходить к более полному и активному использованию в агроценозах естественных ре-гуляторных механизмов.

В первую очередь необходимы анализ и учет ландшафтно-экологических особенностей конкретной территории. Созда-ваемые агроландшафты функционируют в соответствии с при-родными закономерностями данного района. Основой для ана-лиза ландшафтной нео днородности и изменчивости земельно-го фонда в процессе его сельскохозяйственного использования служат материалы количественного и качественного учета со-стояния агроэкосистем.

Однако пока что степень изученности почвенных усло-вий в разных ландшафтах неодинакова. Кроме того, слаба обеспеченность аграрного сектора базовыми природными картами (геоморфологической, почвенной, геоботанической, ландшафтной).

Ландшафтно-экологический анализ агроландшафта должен основываться на знании его морфологических компонентов (типологическом картографировании) и региональных разли-чий (районировании), а также на учете многочисленных взаи-мосвязей (баланса веществ и энергии). Особенно важно, что-бы хозяйственные нагрузки на ландшафт планировались в со-ответствии с его природной структурой. В противном случае несоответствие сложившейся специализации сельского хозяй-ства потенциальным ресурсным возможностям ландшафта приводит к возникновению и развитию негативных процессов, к нарушению природно-антропогенного равновесия, особенно в ландшафтах с неустойчивым природным равновесием.

Наряду с влиянием антропогенных факторов нужно учи-тывать и естественные тенденции развития ландшафтов, возможности проявления неблагоприятных для сельского хо-зяйства природных процессов. Последние воздействуют мед-леннее, но масштабнее (изменение климата, сейсмичность, процессы эрозии и др.). Рациональным можно считать такое воздействие, при котором обеспечивается правильный ресур-сооборот, расширенное воспроизводство возобновляемых ре-сурсов ландшафта (повышение плодородия почвы, продуктив-ности естественных и культурных фитоценозов и др.). Анализ ландшафтной неоднородности и изменчивости – многоступен-чатая система подходов к раздельной оценке природных ком-понентов и всего ландшафтного комплекса.

227

В агроэкосистемах происходят как изменение отдельных биотических компонентов, так и трансформация системы в целом. При этом нарушаются ее внутренняя структура и функ-ционирование, обеспечивающие определенную устойчивость с помощью различных механизмов самоорганизации и само-воспроизводства. Для определения происходящих и возмож-ных изменений перспективна разработка интегральных пара-метров, характеризующих структурно-функциональную ор-ганизацию агроэкосистем по их биотическому компоненту.

Такого рода характеристики отражают процессы создания, использования, разрушения и остаточного накопления биоти-ческой продукции различных категорий (первичной, вторич-ной, остаточной, мертвой), а также некоторые этапы кругово-рота веществ, вовлеченных в биологическиe циклы.

Определение основных показателей систем и их функцио-нирования позволяет исследовать происходящие в них вну-тренние процессы формирования первичной продукции и ее последующего потребления и разложения. Взаимодействие с абиотическими компонентами обусловливает круговорот пи-тательных элементов и потоки энергии. Использование экоси-стемного подхода предполагает, что анализируемый сельско-хозяйственный объект состоит из взаимодействующих компо-нентов, образующих систему с характерными для данного уровня организации свойствами.

Агроэкосистема имеет определенный состав, структуру и режим, которые поддерживаются и регулируются человеком. При отсутствии контроля с его стороны агроэкосистемы по-степенно теряют свои свойства. Естественно, что без знания структуры и функционирования агроэкосистем на балансово-вещественно-энергетическом уровне нельзя предпринимать какие-либо меры по управлению ими: они могут оказаться не-состоятельными и даже вредными.

Функции экосистем целесообразно анализировать в следу-ющих направлениях: потоки энергии; пищевые цепи и сети; структура пространственного разнообразия; круговороты пита-тельных элементов (биогеохимических); развитие и эволюция.

Агроэкосистемы – природные системы, измененные под воздействием соответствующих технологических и социаль-ных факторов. Создание агроэкосистем преследует в первую очередь экономическую цель – устойчивое производство сельскохозяйственной продукции. При этом достаточно оче-видна необходимость гармоничного сочетания экономиче-

228

ских интересов с экологическими требованиями. По суще-ству, управление сельским хозяйством адекватно управлению агроэкосистемами.

Основным организующим началом в любой агроэкосистеме является взаимодействие между производством и потребле-нием. Поскольку агроэкосистемам свойственны те же внутрен-ние регулирующие механизмы, что и природным экосистемам, поддержание самоорганизующихся процессов в агроэкосисте-мах способствует снижению ве щест венно-энергетических за-трат на внешние (антропогенные) регулирования. Взаимодей-ствия на трофическом уровне могут быть упорядочены посред-ством влияния на цепи питания. При этом основное внимание следует уделять физиологическим аспектам, процессам роста и развития, переносу энергии, круговороту питательных веществ, а также регулированию рождаемости и смертности популяций.

Регулирование продукционного процесса, направленное на повышение продуктивности и устойчивости агроэкосистем – задача первостепенной важности. Интенсификация сельско-хозяйственного производства на экологических началах – про-цесс многоплановый, что предопределяет возможность приме-нения нескольких принципиально различных и взаимодопол-няющих подходов.

Один из них – перестройка структуры фитоценозов. На-пример, вместо традиционных одновидовых посевов можно внедрять поликультурные посевы, основываясь на принципе дифференциации растений по экологическим нишам. Такие поля более выгодны энергетически. На них можно получать разнообразные и неоднократные урожаи в течение вегетаци-онного периода. Наряду с продуктивностью при этом обеспе-чивается высокая устойчивость посевов.

Перспективно также применение севооборотов с формиро-ванием горизонтальной ротации культур. В данном случае создается пространственно-разнородный агрофитоценоз, ко-торый может поддерживать постоянный резерв разнообразных энтомофагов.

Эффективно и рационально также использование много-летних плодосмен, организованных по типу протекания сук-цессии, – от однолетних до древесных культур. Это позволяет меньше вмешиваться в жизнь почвы, беречь ресурсы, макси-мально использовать естественные восстановительные про-цессы, что особенно актуально при вовлечении в хозяйствен-ный оборот нарушенных площадей.

229

Следует учитывать, что устойчивость к сорнякам выше не у максимально выравненных по генетическим качествам, а у гетерогенных сортов хозяйственных видов. По этой причине основным принципом биологической борьбы с сорняками дол-жен стать максимальный захват культурными растениями эко-логических ниш во времени и в пространстве. Важную роль играет развитие методов экологической инженерии при подбо-ре экотипов и жизненных форм растений для конструирования фитоценозов длительного пользования.

На уровне агроценопопуляций оптимизацию агроэкоси-стем можно проводить путем изменения ряда экологических показателей: плотности и пространственного размещения; фенологических характеристик – дружности всходов и интен-сивности их развития в первые недели (с использованием био-физических методов предпосевной обработки, а также выбора сроков посева); дифференциации агроценопопуляций благода-ря подбору смеси сортов, обеспечивающему максимальное ис-пользование пространства и ресурсов (возможно повышение гетерогенности популяций на фенотипической основе).

15.3. Ñîâðåìåííûå ïðåäñòàâëåíèÿîá óñòîé÷èâîñòè àãðîýêîñèñòåì

Современные агроэкосистемы – один из ключевых факто-ров формирования и развития биотехносферного пространства и незаменимое средство жизнеобеспечения человечества, по-этому они играют важную функциональную роль в процессах, происходящих в биосфере, и в поддержании ее устойчивости. Исходя из рассмотренных ранее общих принципов организа-ции и оптимизации агроландшафтов и агроэкосистем, можно заключить, что обеспечение устойчивости последних требует серьезного внимания.

Категория «устойчивость экосистемы» имеет основопола-гающее значение для оценки современных и перспективных систем земледелия, практических мер по управлению агроэко-системой, а также эффективности реконструкции существую-щих и создания новых агроэкосистем. Естественно, что ре-зультаты такого рода оценки зависят от смысла, вкладываемо-го в понятие «устойчивость», которое, что весьма существен-но, в современной литературе трактуется по-разному.

230

Устойчивость агроэкосистем – это свойство систем сохра-нять и поддерживать значение своих параметров и структуры в пространстве и во времени, качественно не изменяя характер функционирования. Агроэкосистема представляет собой транс-формированную в результате хозяйственной деятельности че-ловека часть наземной экосистемы. Структуру и функциониро-вание ее регулируют с помощью дополнительного введения вещества (удобрения, пестицидов, мелиорантов) и энергии для поддержания оптимальной и стабильной продуктивности вы-ращиваемых культур и предотвращения загрязнения окружаю-щей среды.

Природные экосистемы в отличие от агроэкосистем – это совокупность живых организмов в неорганической среде, кото-рые, занимая определенное пространство, связаны между со-бой обменом вещества и энергии и способны к саморегуляции.

Устойчивость системы, как известно, характеризует прин-цип Ле Шателье. До начала прошлого столетия поглощение экосистемами суши углерода подчинялось данному принци-пу, т.е. в то время биота эффективно компенсировала все воз-действия человека на экосистемы и проблемы загрязнения окружающей среды не возникало. В начале прошлого столе-тия экосистемы суши не только перестали поглощать избыток углерода из атмосферы, но и сами начали выбрасывать его, увеличивая загрязнение окружающей среды, обусловленное промыш ленностью и транспортом. Структура экосистем суши оказалась существенно нарушенной.

В доиндустриальную эпоху площади используемых земель составляли менее 5 % территории всей суши, причем человек использовал не более 20 % производимой на них продукции. Таким образом, общая доля потребляемой человеком продук-ции биосферы не превышала 1 %. Сегодня эта доля на порядок выше. Процессы синтеза и распада органических веществ осу-ществляются в экосистемах с огромной скоростью, что созда-ет опасность быстрого разрушения окружающей среды при нарушении замкнутости круговорота веществ. Именно благо-даря замкнутости биохимических круговоротов функциониро-вание экосистем оказывается возможным и осуществляется на основе энергии, образующейся при распаде органических со-единений. Поэтому необходимым условием устойчивости яв-ляется ограничение притока питательных веществ в экосисте-му и количества этих веществ, образующихся непосредственно в экосистеме. Продуктивность процессов синтеза и разложе-

231

ния органического вещества должна намного превышать внешнее поступление питательных веществ в экосистему. Если приток покрывает половину биологических потребно-стей, то поддержание устойчивой замкнутости круговорота ве-ществ становится невозможным.

Случайное совпадение количеств питательных веществ, поступающих в систему, и выводимых из нее продуктов жиз-недеятельности, сохраняющее стабильность окружающей сре-ды, не может быть устойчивым. Поэтому интенсивность син-теза и разложения должна превосходить внешние потоки пи-тательных веществ на столько, на сколько биота, функциони-рующая на основе замкнутого круговорота веществ, способна компенсировать любые изменения состояния окружающей среды и превосходить по конкурентоспособности биоту, суще-ствующую за счет внешних потоков веществ. Следовательно, только запасы и концентрация питательных веществ в окру-жающей среде могут определяться и поддерживаться на устойчивом уровне биотой экосистем.

Параметрами устойчивости агроэкосистемы являются функции, режимы и свойства почвы; структура, организация и продуктивность агрофитоценоза; структура и организация ми-кробного сообщества; интенсивность и сбалансированность биогеохимического круговорота.

Для количественной оценки устойчивости экосистемы учи-тывают связь воздействующих факторов (тип, интенсивность, длительность, количество возмущений и др.), а также связь экосистем с основными параметрами, ответственными за ее устойчивость, и областями (зонами) устойчивого состояния. Таких зон может быть от одной до нескольких.

Изменение структуры экосистемы или переход ее парамет-ров в область неустойчивого состояния обусловливают потерю устойчивости. Если переход от одной области устойчивого равновесия в другую сопровождается сохранением внутрен-них связей экосистемы, то проявляется свойство ее упругости, т.е. при переходе из одной области устойчивого равновесия в другую внутренние связи экосистемы сохраняются.

Способность экосистемы вернуться в прежнюю область устой-чивого равновесия после временного воздействия природного или антропогенного фактора характеризует ее стабильность.

Названные категории пригодны и для характеристики ан-тропогенных экосистем. Основная проблема в этом случае за-ключается в качественной и количественной формализации

232

соответствующих категорий применительно к особенностям агроэкосистемы.

Несомненно, что в ряду параметров, ответственных за устойчивость и стабильность агроэкосистемы, первостепенное значение имеет продуктивность агроценозов, падение которой по самым разным причинам (например, дефицит или избыток элементов минерального питания, засуха или переувлажнение, деградация почвы и т.п.) ниже заданного уровня свидетельст-вует о переходе агроэкосистемы в неустойчивую область. Од-нако снижение урожайности – это уже конечная фаза реакции агроэкосистемы на имеющиеся возмущения, которой предше-ствуют изменения других параметров, таких, как активность микробного сообщества, сбалансированность биогеохимиче-ских циклов элементов, уровень плодородия почвы.

Контроль за названными параметрами позволяет выявить скрытые формы нарушений устойчивости и достаточно опера-тивно поддерживать стабильность агроэкосистемы, т.е. сохра-нять заданные характеристики параметров в течение опреде-ленного промежутка времени. Следовательно, устойчивость и стабильность агроэкосистемы недостаточно рассматривать в виде простой функциональной зависимости между каким-либо воздействующим фактором и одним из параметров, от-ветственных за устойчивость, как это распространено в боль-шинстве современных моделей.

Более объективную оценку могут дать комплексные поч-венно-агрохимические, эколого-физиологические и эко лого-токсикологические исследования с применением методов си-стемного анализа и математического моделирования. Наиболь-шая трудность заключается в выделении зон устойчивости аг-роэкосистемы, определении их границ и времени сохранения или достижения нового устойчивого состояния при наличии кратковременных или постоянных воздействий, поскольку эти вопросы еще не разработаны в полной мере даже в концепту-альном плане.

15.4. Óñòîé÷èâîñòü àãðîýêîñèñòåìïðè ðàçíûõ ñèñòåìàõ çåìëåäåëèÿ

Разнообразие форм техногенного и аграрного воздействий, увеличивающиеся масштабы и объемы антропогенной нагруз-ки, наличие многочисленных негативных изменений в почвах,

233

свойства, режимы и функции которых стали отличаться от аналогичных показателей реликтовых или эталонных почв, послужили основанием говорить о патологии почвы.

Не менее справедливым будет утверждение о патологиче-ском состоянии большинства современных агроэкосистем, основные компоненты которых подвержены той или иной фор-ме антропогенного воздействия и находятся в конечных зонах устойчивости, граничащих с потерей этого качества.

Подобное состояние агроэкосистемы напрямую связано со стратегическими и тактическими издержками, которые харак-терны для аграрной деятельности человека и проявляются в характере землепользования и культивирования агроэкосисте-мы. К настоящему времени в науке и практике сформирова-лись две противоположные концепции использования агроси-стем и управления ими, базирующиеся на традиционной и биологической системах земледелия.

Использование традиционной системы земледелия с широ-ким применением агрохимикатов – обязательное условие под-держания высокой продуктивности агроэкосистемы, что ком-пенсирует возможные экологические издержки. В рамках дан-ной концепции приоритетными являются агрономический и экономический критерии. В первом случае рассматривается величина прибавки урожая основной продукции сельскохозяй-ственных культур, а во втором – окупаемость материальных и финансовых затрат получаемой продукцией.

Считается, что интенсификация традиционных систем зем-леделия не только не является причиной деградации компонен-тов агроэкосистемы, но и обеспечивает более высокий уровень их стабильности, предотвращение снижения природного пло-дородия почв. Ущерб плодородию почвы и окружающей среде, причиняемый несбалансированным применением избыточных доз пестицидов, удобрений и мелиорантов, использованием тя-желой техники в районах с повышенным увлажнением, нару-шениями зональных технологий возделывания культур и мелио-рации почв, характерен для нерационального или экстремаль-ного земледелия, в котором интенсивность упрощенно понима-ется как концентрация ресурсов в расчете на единицу площади без учета степени и качества их использования.

В действительности, в интенсивном земледелии повыше-ние урожайности культур обеспечивается благодаря эффектив-ному использованию средств химизации, биологических спо-собов защиты растений, мелиоративных приемов, внедрению прогрессивных технологий, учитывающих зональную почвен-

234

но-экологическую специфику, что в конечном счете способ-ствует повышению плодородия почв и охране агроландшафтов от загрязнения и деградации.

Хотя эти положения весьма логичны и подтверждены экс-периментально, закономерен вопрос, почему в странах с ин-тенсивно развитым аграрным сектором и высоким уровнем энергонасыщенности и технологичности сельскохозяйствен-ных операций, базирующихся на последних научных достиже-ниях, экологическая ситуация остается достаточно напряжен-ной, что дает повод усомниться в безопасности традиционных систем земледелия и осознать необходимость разработки аль-тернативных производственных систем, из которых наиболее известна биологическая система земледелия.

На первых этапах развития биологической системы земле-делия приоритетным направлением было получение высокока-чественной растениеводческой продукции, главным образом благодаря отказу от использования инсектицидов и примене-нию биологических и агрономических способов защиты рас-тений. В последние годы биологическую систему земледелия рассматривают в более широком плане – как составную часть концепции экологически чистой окружающей среды, расши-ряя тем самым круг ограничений на применение агрохимика-тов, включая и синтетические удобрения.

Введение элементов биологического земледелия, как пра-вило, приводит к снижению экономических показателей про-изводства, росту энергозатрат на получение единицы продук-ции, увеличению объема работ и их усложнению по сравне-нию с традиционной системой. Согласно разным оценкам, в результате отказа от минеральных удобрений в биологическом земледелии недополучают 40 % продукции, а затраты труда возрастают на 25–30 %. Однако реальное внедрение идей био-логического земледелия в практику, несмотря на всю их при-влекательность, сдерживается не столько проблемами эконо-мического характера, сколько отсутствием надежной теории, объясняющей механизмы функционирования агроэкосистемы и пределы ее устойчивости в условиях «биологизации» сель-скохозяйственных технологий недостаточным числом факто-ров, подтверждающих более высокое качество продукции, по-лучаемой при биологической системе земледелия, по сравне-нию с традиционной, а также слабостью доводов в пользу бо-лее высокой вредности химических элементов, содержащихся в синтетических удобрениях, по сравнению с природными со-единениями.

235

Например, согласно принципам биологического земледе-лия, азот вносится в почву в виде органических удобрений, ко-торые представлены в основном экскрементами животных, со-держащими большое количество мочевины. В то же время в биологическом земледелии не рекомендуется использовать мо-чевину, получае мую синтетически. Кроме того, сокращение объемов производства растениеводческой продукции в биоло-гическом земледелии приходится компенсировать увеличением посевных площадей в ущерб естественным экосистемам. По-этому в действительности при традиционной системе земледе-лия степень аграрной нагрузки на единицу площади угодий мо-жет быть даже ниже, чем при биологической. Серьезным недо-статком является также присущее биологической системе зем-леделия отрицательное сальдо в балансе фосфора и калия, что негативно сказывается на питательном режиме почвы.

Учитывая преимущества и недостатки этих двух противо-положных концепций, многовариантность форм антропоген-ного давления на агроэкосистемы и стремление интенсифици-ровать все стадии производства сельскохозяйственной продук-ции, а также принимая во внимание значительное ухудшение качества окружающей среды, следует признать необходимой разработку новой системы земледелия, эффективность кото-рой соответствовала бы более широкому спектру критериев.

Разрабатываемые мероприятия должны характеризоваться не только агрономической и экономической эффективностью, но и технологической осуществимостью, экологической допу-стимостью и энергетической целесообразностью, обеспечи-вать сбережение и воспроизводство природных ресурсов. Естественно, что в каждом конкретном случае данная система критериев может быть расширена путем включения таких по-казателей, как физиологическая эффективность и качество продукции, или, наоборот, сокращена. Хотя с помощью приве-денных критериев можно получить более полную информа-цию о функционировании агроэкосистемы, использование их в едином комплексе сопряжено с преодолением ряда объектив-ных трудностей.

Во-первых, функциональные решения на основе одних критериев могут не совпадать или даже противоречить реше-ниям, полученным на основании других критериев.

Во-вторых, ряд критериев (ресурсный, экологический, тех-нологический, качество продукции) достаточно сложно фор-мализовать и качественно оценить из-за многообразия параме-

236

тров, характеризующих эти свойства, и полифункционально-сти действия природных и антропогенных факторов на компо-ненты агроэкосистемы. Так, максимальная эффективность агроэкосистемы по одному из предложенных критериев вовсе не означает отсутствия каких-либо нежелательных моментов в ее функционировании.

Например, получение максимального урожая с помощью увеличения доз минеральных удобрений и других средств хи-мизации сопровождается нежелательным нарушением в со-стоянии окружающей среды. Наибольший экономический эф-фект обеспечивают, как правило, низкие и умеренные дозы минеральных удобрений, а окупаемость прибавкой урожая вы-соких доз резко снижается.

Осуществление противоэрозионных мер является сред-ством сбережения ресурсов агроэкосистемы и оптимизации качества окружающей среды, однако достижение минималь-ной нормы допустимого смыва практически нереализуемо из-за резкого возрастания текущих и капитальных затрат. Иными словами, обеспечение экологической чистоты агроландшафтов не должно выходить за рамки разумных технологических ре-шений и экономических затрат.

Следовательно, современное управление устойчивостью агроэкосистемы и использование для этого практических средств должны предусматривать достижение разумного ком-промисса между количеством продукции, ее качеством, мас-штабами затрачиваемых природных и технических ресурсов и нарушениями в окружающей среде. Данные параметры в сво-ей совокупности характеризуют новый тип современного зем-леделия – адаптивный, под которым понимают экологическую дифференциацию агротехнологий, направленную на дости-жение высокой степени соответствия аграрных форм дея-тельности природным механизмам саморегуляции экосистем путем оптимизации или компенсации внешних и внутренних факторов и свойств, лимитирующих развитие продуцентов агроэкосистемы.

В отличие от альтернативного земледелия, которое предпо-лагает приоритет какого-либо одного критерия, адаптивно-компромиссное направлено на достижение рациональной сба-лансированности критериев и представляет собой промежу-точную форму между биологическим и традиционным типами земледелия. Для адаптивно-компромиссного земледелия ха-рактерно смещение акцентов в стратегии оптимизации мине-

237

рального питания растений. При этом предусматривается соз-дание условий и осуществление различных типов регуляции режима минерального питания, обеспечивающих максималь-ное включение питательных элементов в продукционный про-цесс и адаптацию динамики их поступления к динамике ре-альных потребностей в них растений.

Реализация данной стратегической задачи должна обеспе-чивать максимизацию урожая, повышение качества продукции или сохранение оптимального уровня показателей, сокраще-ние удельных затрат питательных веществ из удобрений и из почвы на формирование единицы урожая и минимальную на-грузку на окружающую среду.

При формализации критериев оценки функционирования аг-роэкосистемы в целом или отдельных ее компонентов и их сла-гаемых используют разные подходы и параметры, что затрудня-ет их унификацию и количественную воспроизводимость.

Основным способом оценки происходящих в агроэкосисте-ме изменений является сравнение параметров, характеризую-щих состояние ее слагаемых, с эталонными вариантами. Соз-дается соответствующая стандартная шкала, по которой отме-чается разница между состоянием среды при воздействии какого-либо фактора и без его воздействия. Однако такой под-ход не совсем корректен, поскольку не отражает исходных раз-личий, характерных для природной и сельскохозяйственной экосистем, а также динамику разнообразных форм человече-ской деятельности и реакции на них агроэкосистем. Поэтому для оценки функционирования агроэкосистемы используют ряд специальных критериев.

В качестве индикаторных показателей экологичного состо-яния экосистем и устойчивости почв к стрессовому воздей-ствию загрязнителей наряду с содержанием органического ве-щества часто используют такие величины, как размеры по-чвенных частиц и рН почвенного раствора, с помощью кото-рых оценивают стрессовую емкость почвы. Интегральную характеристику реакций растений на минеральные удобрения дают показатели их агрономической и физиологической эф-фективности, а также эффективности усвоения питательного вещества, которую чаще называют коэффициентом использо-вания действующего вещества удобрения.

В первом случае определяют затраты питательного веще-ства удобрения на формирование прибавки урожая основной продукции, во втором – затраты дополнительного использова-

ния элемента питания в удобренном варианте на формирование урожая. Эффективность усвоения питательных веществ расте-ниями характеризует отношение прибавки общего выноса эле-ментов, получаемой от применяемого удобрения, к его дозе.

Для характеристики пределов экологического насыщения агроэкосистемы биогенными элементами, а также определе-ния их миграционно-аккумуляционной способности целесо-образно определять состояние баланса макро- и микроэлемен-тов в ландшафтно-геохимических структурах.

В границах агроэкосистемы рассчитывают показатель ин-тенсивности баланса макроэлементов, который представляет собой величину возмещения выноса элементов растениями дозой удобрения.

Результаты исследований показывают, что снижение дан-ной величины до 60 % свидетельствует об истощении актуаль-ного плодородия почвы.

239

Ãëàâà 16

ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÎ ÝÊÎËÎÃÈ×ÅÑÊÈ ÁÅÇÎÏÀÑÍÎÉ ÏÐÎÄÓÊÖÈÈ

16.1. Ýêîëîãî-òîêñèêîëîãè÷åñêèå íîðìàòèâû

Понятие «экологически безопасная продукция». Произ-водство экологически безопасной продукции – ключевая зада-ча при экологизации сельскохозяйственной деятельности. По-нятие «экологически безопасная сельскохозяйственная про-дукция» основано на праве людей на здоровую и плодотвор-ную жизнь в гармонии с природой. Под экологически безопасной сельскохозяйственной продукцией понимают та-кую продукцию, которая в течение принятого для различных ее видов «жизненного цикла» (производство – переработка – потребление) соответствует установленным органолептиче-ским, общегигиеническим, технологическим и токсикологиче-ским нормативам и не оказывает негативного влияния на здо-ровье человека, животных и состояние окружающей среды.

Острые проблемы современности – проблемы недоедания и голода – усугубляются болезнями и смертностью в резуль-тате употребления некачественных продуктов, а ведь на Зем-ле достаточно ресурсов, разработаны решения и технологии, которые дают возможность навсегда покончить с такими яв-лениями. Не хватает, к сожалению, лишь обязательств и от-ветственности.

Неблагоприятное действие ксенобиотиков связано с мигра-цией химических веществ по одной или нескольким экологи-ческим цепям.

Чем длиннее миграционный путь при подземных путях ми-грации, тем меньшую опасность для здоровья человека пред-ставляет ксенобиотик, так как при продвижении химических веществ по экологическим цепям они подвергаются деструк-ции и превращениям.

Считается, что из ядов, регулярно попадающих в организм человека, около 70 % поступает с пищей, 20 % – из воздуха и 10 % – с водой.

Проблему получения качественного продовольствия в условиях негативного антропогенного воздействия на окру-

240

жающую природную среду, в том числе и в процессе сельско-хозяйственного производства, можно решить на основе эколо-гизации сложившихся или вновь создаваемых систем ведения сельского хозяйства.

Загрязнение продукции растениеводства и животноводства различными вредными веществами обусловлено множеством взаимосвязанных, идущих с различной интенсивностью про-цессов в сопряженных средах и компонентах экосистем. При этом во многих регионах не только возрастает прямое дей-ствие химических веществ, но и усложняется проявление та-ких воздействий.

Оценка состояния агроэкосистем. Для получения эколо-гически безопасной продукции необходимо иметь достовер-ные исходные данные об эколого-токсикологической обста-новке в агроэкосистемах, особенно испытывающих пресс многолетнего интенсивного использования агрохимикатов (удобрений, пестицидов, мелиорантов и др.).

Работу следует начинать с оценки эколого-токсико ло ги-ческого состояния агроэкосистем, прежде всего почвенного покрова. Стремление повысить продуктивность возделывае-мых культур и выращиваемых животных без надлежащего учета природоохранных требований привело к необоснован-ному увеличению объемов применения минеральных удобре-ний (преимущественно азотных), пестицидов и мелиорантов. Выбросы промышленных производств и транспорта, комму-нальные отходы поставляют в естественные и искусственные экосистемы соединения полихлорированных бифенилов, серы, тяжелых металлов и т.д. Среди природных загрязнителей вы-деляют афло- и другие микотоксины.

Оценка сельскохозяйственной продукции. Для оценки и предотвращения негативного воздействия продуктов питания на здоровье человека и кормов на сельскохозяйственных жи-вотных оперируют такими понятиями, как предельно допусти-мая концентрация (ПДК), допустимое остаточное количество (ДОК) или максимально допустимые уровни (МДУ) вещества в них. Эколого-токсикологический норматив – ПДК – концен-трация вещества в продукции (продуктах питания, кормах), которая в течение неограниченно продолжительного времени (при ежедневном воздействии) не вызывает отклонений в со-стоянии здоровья человека и животных. ПДК химических ве-ществ в пищевых продуктах устанавливают при этом с учетом допустимой суточной дозы (ДСД) или допустимого суточного

241

поступления (ДСП), поскольку разнообразие рациона и его хи-мического состава не позволяют нормировать допустимое со-держание химического вещества в каждом пищевом продукте.

Пределы содержания загрязняющих веществ в пищевых продуктах и кормах устанавливают на основании результатов изучения токсичности препаратов для различных организмов. При содержании в продукции загрязняющих веществ в коли-чествах, превышающих ПДК, ДОК или МДУ, такую продук-цию в пищу или на корм использовать не разрешается.

При оценке степени токсичности элемента (агрохимиката) для растений учитывают концентрацию элемента. При этом не долж-но быть снижения продуктивности растений, накопления агрохи-миката в растениях, кормах и пищевых продуктах выше ПДК.

Летальная концентрация вызывает гибель растений.

16.2. Òÿæåëûå ìåòàëëû è íèòðàòû

Тяжелые металлы. Наиболее опасными загрязняющими веществами признаны тяжелые металлы: свинец, ртуть, кад-мий, мышьяк, цинк, никель и др. Примерно 90 % тяжелых ме-таллов, поступающих в окружающую среду, аккумулируются почвами. Затем они мигрируют в природные воды, поглоща-ются растениями и поступают в пищевые цепи.

Свинец, ртуть, кадмий, мышьяк и цинк считаются основ-ными загрязнителями главным образом потому, что техноген-ное их накопление в окружающей среде идет особенно высо-кими темпами. Данные элементы обладают большим срод-ством к физиологически важным органическим соединениям и способны подавлять наиболее значимые процессы метабо-лизма, тормозят рост и развитие. В сельскохозяйственном про-изводстве это приводит к снижению продуктивности и ухуд-шению качества продукции.

Допустимое количество тяжелых металлов, которое чело-век может потреблять с продуктами питания без риска забо-леть, колеблется в зависимости от вида металла: свинца – 3 мг, кадмия – 0,4–0,5, ртути – 0,3 мг в неделю. Хотя данные уровни условны, тем не менее они служат основой для кон-троля содержания тяжелых металлов в продуктах питания.

В живых организмах тяжелые металлы играют двоякую роль. В малых количествах они входят в состав биологически активных веществ, регулирующих нормальный ход процессов

242

жизнедеятельности. Нарушение в результате техногенного за-грязнения эволюционно сложившихся концентраций тяжелых металлов приводит к отрицательным и даже катастрофиче-ским последствиям для живых организмов. Поступившие, на-пример, в организм человека тяжелые металлы накапливаются преимущественно в печени и выводятся крайне медленно. Первоначально же они накапливаются, главным образом, в по-чвах. Продукция растениеводства, выращенная даже на слабо-загрязненных почвах, способна вызвать кумулятивный эффект, обусловливая постепенное увеличение содержания тяжелых металлов в организме теплокровных (человека, животных).

Поступая в растения, тяжелые металлы распределяются в их органах и тканях весьма неравномерно. Следовательно, изучение особенностей аккумуляции тяжелых металлов в рас-тениях может помочь ограничить их поступление в организм человека.

Зачастую корневые системы растений содержат больше цинка, чем надземные органы. В надземных органах цинк кон-центрируется преимущественно в старых листьях. Корни пше-ницы отличаются более высоким содержанием свинца и кад-мия по сравнению с листьями. Уровень накопления тяжелых металлов в репродуктивных органах растений значительно ниже, чем в вегетативных, и зависит от биологических особен-ностей культуры, физиологической роли элемента, его содер-жания в почве и доступности для растений.

Органы накопления ассимилятов (корнеплоды, клубни, плоды) содержат значительно меньше тяжелых металлов, чем вегетативная масса растений. Это можно считать положитель-ным фактом, поскольку именно они составляют хозяйственно ценную часть основных овощных культур.

Механизмы поглощения, транспорта, метаболизма и рас-пределения тяжелых металлов в органах и тканях тесно связа-ны с видовыми и сортовыми особенностями возделываемых культур, на них влияют экологические и антропогенные фак-торы. Знание закономерностей распределения тяжелых метал-лов в тканях и органах растений дает возможность выяснить механизмы их перераспределения и аккумуляции в процессе развития растений, разработать достоверные методы оценки качества урожая, грамотно сертифицировать продукцию.

Предложены меры снижения уровня содержания тяжелых металлов в продукции, получаемой в процессе выращивания сельскохозяйственных культур. Одним из важнейших звеньев

243

производства экологически безопасной продукции является нормирование содержания тяжелых металлов.

Нормирование токсичных ингредиентов в компонентах окружающей среды, в первую очередь в продовольственном сырье и непосредственно в продуктах питания, – важный шаг на пути снижения поступления вредных веществ в организм человека и животных.

В табл. 16.1 приведены ПДК тяжелых металлов в пищевых продуктах. Вместе с тем было бы ошибочным преувеличивать и абсолютизировать принятые величины ПДК и ДОК. По своей сути они являются, прежде всего, лишь своеобразными «опор-ными точками» для сравнительных оценок. Имеющиеся ПДК загрязнителей позволяют сравнивать качественное состояние продукции по уровню ее загрязненности, разрабатывать и реа-лизовывать необходимые охранные мероприятия и т.д.

Таблица 16.1. ПДК тяжелых металлов в пищевых продуктахи продовольственном сырье, мг/кг (Кольцов, 1995)

Пищевой продукт Свинец Кадмий Ртуть Медь Цинк Мы-шьяк

1 2 3 4 5 6 7

Зерновые 0,5 (0,3) 0,1 (0,03) 0,03 10,0 50,0 0,2Гречиха 0,5 (0,3) 0,04 0,03 15,0 50,0 0,2Хлеб 0,3 0,05 0,01 5,0 25,0 0,1Соль поваренная 2,0 0,1 0,01 3,0 10,0 1,0Сахар (песок) 1,0 0,05 0,01 1,0 3,0 0,5Конфеты 1,0 0,1 0,01 15,0 30,0 0,5Молоко 0,1 (0,05) 0,03 (0,02) 0,005 1,0 5,0 0,05Масло сливочное 0,1 0,03 0,03 0,5 5,0 0,1Творог, сыр 0,3 0,2 0,02 4,0 50,0 0,2Масло растительное 0,1 0,05 0,03 0,5 5,0 0,1Овощи свежие 0,5 0,03 0,02 5,0 10,0 0,2Фрукты, ягоды 0,4 0,03 0,02 5,0 10,0 0,2Грибы 0,5 0,1 0,05 10,0 20,0 0,5Чай 10,0 1,0 0,1 100,0 – 1,0Мясо и птица 0,5 0,05 0,03 5,0 70,0 0,1Яйца 0,3 0,01 0,02 3,0 50,0 0,1Жиры животные 0,1 0,03 0,03 0,5 5,0 0,1Почки 1,0 1,0 0,2 20,0 100,0 1,0Мясные внутренности 0,6 0,3 0,1 20,0 100,0 1,0

Рыба свежая:

речная 1,0 0,2 0,6 10,0 40,0 1,0морская 1,0 0,2 0,4 10,0 40,0 5,0

244

Окончание табл. 16.1

1 2 3 4 5 6 7

Моллюски и раки 10,0 2,0 0,2 30,0 200,0 2,0Минеральные воды 0,1 0,01 0,005 1,0 5,0 0,1Пиво, вино 0,3 0,03 0,005 5,0 10,0 0,2Напитки 0,3 0,03 0,005 3,0 10,0 0,1

Детское питание:на молочной основе 0,05 0,02 0,005 1,0 5,0 0,05на зерновой основе 0,1 0,02 0,01 5,0 10,0 0,10на мясной основе 0,3 0,03 0,02 5,0 50,0 0,1на овощной основе 0,3 0,02 0,01 5,0 10,0 0,2

Пр им е ч а н и е. В скобках указаны ПДК для детского питания. Применяя такие агротехнические приемы, как известкова-

ние, внесение минеральных и органических удобрений, можно на разных (особенно начальных) стадиях производства свести к минимуму вероятность накопления тяжелых металлов в вы-рабатываемой продукции.

На серых лесных почвах, например, внесение навоза спо-собствовало снижению содержания свинца и кадмия в надзем-ных органах амаранта примерно на 12 % по сравнению с кон-тролем. В данном случае проявляется способность навоза об-разовывать комплексные соединения с тяжелыми металлами. Образующиеся металлорганические комплексы малоподвиж-ны или не способны к преодолению клеточных мембран на границе между почвой и корнем.

Уменьшение токсичности металлов для растений должно основываться прежде всего на мероприятиях, направленных на повышение содержания гумуса в почве (внесение органиче-ских удобрений, использование сидератов, запашка соломы и т.д.). Токсичность соединений хрома снижается при внесе-нии в почву торфа.

Снижение содержания тяжелых металлов в урожае расте-ний при локальном внесении минеральных удобрений объяс-няется тем, что подкисляющее действие удобрений проявляет-ся только в очаге расположения их в почве, а не во всем объеме пахотного слоя (известно, что при подкислении повышается подвижность тяжелых металлов в почве и усиливается их по-ступление в растения). Следует также отметить, что продук-тивность овса и гороха при локальном использовании удобре-ний возрастает в 1,3–1,5 раза по сравнению с разбросным при-менением в тех же дозах.

245

При известковании кислых почв поступление тяжелых ме-таллов в растения уменьшается. Известкование способствует образованию комплексных соединений органических веществ почвы с тяжелыми металлами; при повышении рН тяжелые металлы выпадают из почвенного раствора в осадок (кроме Ag, Cd, Сr, Sr) в виде карбонатов, гидроксидов и фосфатов; при повышении рН и увеличении содержания кальция в почве снижается активность поглощения корневыми системами рас-тений некоторых тяжелых металлов.

На процессы детоксикации тяжелых металлов положитель-но влияют фосфорные удобрения. Фосфаты цинка и свинца представляют собой труднорастворимые соединения, поэтому малодоступны для растений. По эффекту детоксикации моно-кальцийфосфат, внесенный в почву в дозе 3 т/га, равен внесе-нию 1–4 т извести на 1 га. На кислых почвах целесообразно вместо суперфосфата использовать фосфоритную муку.

Существенному снижению поступления Sr, Cd, Pb, Cu, Zn способствует применение цеолитов, которые, будучи емкими ионообменниками, поглощают подвижные формы элементов и тем самым снижают поступление их в растения. Благодаря применению цеолитов удается снизить уровень загрязнения продукции на 30 %. Дозы применения цеолита колеблются в пределах 40–75 т/га.

Среди биологических приемов следует выделить выращи-вание толерантных сортов и культур, используемых в пищу или в качестве корма, выращивание культур на семена, возде-лывание технических и лесных культур, разведение цветов.

Содержание тяжелых металлов в овощах и картофеле су-щественно уменьшается при кулинарной обработке. В резуль-тате очистки, промывания, снятия кожуры и бланшировки ко-личество свинца и ртути снижается на 50 % в овощах и на 80–85 % в картофеле, а кадмия – на 20 %. Уменьшение содержа-ния свинца при однократном промывании салата может достигать 30–70 %.

Нитраты. Сельскохозяйственной продукции без нитратов не бывает, поскольку они являются основным источником азота в питании растений. Для получения не только высоких, но и высококачественных урожаев необходимо вносить в по-чву минеральные азотные удобрения и органику. Потребность растений в азоте зависит от многих факторов: вида, сорта, по-годных условий, свойств почвы и количества ранее применяв-шихся удобрений.

246

Проблема нитратов в сельскохозяйственной продукции тесно связана с крайне низкой культурой земледелия как в государ-ственном, так и в частном секторе. Неграмотное применение азотных минеральных и органических удобрений в высоких и сверхвысоких дозах (в погоне за «валом») ведет к тому, что из-быток азота в почве вызывает поступление нитратов в расте-ния в больших количествах. Кроме того, азотные удобрения спо-собствуют увеличению поступления из самой почвы нитратов, образующихся при минерализации органического вещества.

Нитраты являются главным элементом питания растений, произрастающих на земле, поскольку в них входит азот – основной строительный материал. В естественных условиях (в лесу или на лугу) их содержание в растениях небольшое (1–30 мг/кг сухой массы), они почти полностью переходят в органические соединения (аминокислоты, белки и т.д.). При выращивании на удобренной почве культурных растений (ка-пусты, картофеля, редиса, свеклы и т.д.) количество нитратов в них возрастает во много раз (40–12 000 мг/кг сухой массы). Они присутствуют во всех средах: почве, воде, воздухе. Сами нитраты не отличаются высокой токсичностью, однако под действием микроорганизмов или в процессе химических ре-акций восстанавливаются до нитритов, опасных для человека и животных. В организме теплокровных нитриты участвуют в образовании более сложных (и наиболее опасных) соедине-ний – нитрозоаминов, которые обладают канцерогенными свойствами.

Среди возделываемых культур наибольшее количество ни-тратов накапливается в свекле столовой, салате, шпинате, укропе, редисе, редьке. Томат, перец, баклажан, чеснок, горо-шек и фасоль отличаются их низким содержанием.

В связи с опасностью, которую нитраты могут представ-лять для нормального функционирования организма человека, в различных странах разработаны ПДК нитратов в продуктах питания. Их устанавливают путем проведения специальных исследований на подопытных животных (мышах, крысах).

Предельно допустимая концентрация нитратов установле-на для продукции как открытого, так и защищенного грунта (парников, теплиц) (табл. 16.2). Для условий защищенного грунта характерны более высокие ПДК, чем для открытого грунта. Дело в том, что в условиях закрытого грунта расте-ния, испытывая недостаток света, накапливают большее коли-чество нитратов.

247

Таблица 16.2. ПДК нитратов в пищевых продуктах, мг/кг сырой массы (Справочник ПДК вредных веществ в пищевых продуктах

и среде обитания, 1993)

Пищевой продуктОткрытый грунт

Защищен-ный грунт

Картофель 250 –Капуста белокочанная: ранняяпоздняя

900500

––

Морковь: ранняяпоздняя

400250

––

Томаты 150 300Огурцы 150 400Свекла столовая 1400 –Лук репчатый 80 –Лук зеленый 600 800Листовые овощи (салат, шпинат, щавель, капуста салатная, петрушка, сельдерей, кориандр, укроп)

2000 3000

Дыня 90 –Арбуз 60 –Перец сладкий 200 400Кабачок 400 400Виноград столовых сортов 60 –Яблоки 60 –Груши 60 –Продукты детского и диетического питания (ово-щи консервированные)

50 –

Для снижения содержания нитратов в продуктах питания важно правильно выбрать способ выращивания культур, спо-собы хранения и переработки и методы контроля.

Накопление нитратов различными культурами имеет сорто-вую специфику. Такая специфика выявлена у многих видов овощных и бахчевых культур: шпината, салата, сельдерея, ре-диса, столовой свеклы, моркови, картофеля, томата, фасоли, огурца, дыни, а также у кормовых культур, сахарной свеклы, овса, кукурузы.

Широкое распространение сортов с низкой способностью к накоплению нитратов должно стать основой для улучшения биологического качества растениеводческой продукции. Дан-ный путь наиболее целесообразен при выращивании овощей с коротким периодом вегетации (редиса, листовых овощей), от-личающихся повышенным накоплением нитратов.

248

Нитраты в растениях распределяются неравномерно. В ге-неративных органах нитраты отсутствуют или содержатся в меньших количествах, чем в вегетативных. В корне, стебле и черешках листьев нитратов значительно больше, чем в листо-вой пластинке.

Нитраты практически отсутствуют в зерне злаковых куль-тур, они в основном сосредоточены в вегетативных органах (лист, стебель). Активное накопление нитратов отмечается в сочных плодах овощных и бахчевых культур. Неравномер-ность в распределении нитратов связана с неодинаковой ско-ростью транспортных и синтетических процессов в органах растений. Накопление нитратов зависит и от возраста расте-ний: как правило, молодые органы аккумулируют бόльшие их количества.

При использовании в пищу тех частей (органов) растений, которые содержат наименьшее количество нитратов, можно существенно снизить (более чем вдвое) поступление их в ор-ганизм человека.

Рациональная система применения удобрений, позволяю-щая уменьшить вероятность накопления нитратов в растение-водческой продукции, предполагает правильное определение форм, доз, сроков и способов внесения.

Лучшие формы азотных минеральных удобрений – сульфат аммония и мочевина. Не рекомендуется применять под овощ-ные культуры аммиачную и натриевую селитру. Обязательное условие успешного применения азотных удобрений – их соче-тание с фосфорными и калийными удобрениями. Лучшим со-отношением считается N : Р : К = 1 : 0,6 : 1,8, т.е. должны пре-обладать калийные удобрения. Внесение фосфорных и калий-ных удобрений способствует снижению количества нитратов в овощах. Большое внимание следует уделять дозе азотного удобрения. Она не должна превышать 20 г на 1 м2 по азоту.

Хорошие результаты по снижению содержания нитратов в продукции дают зеленые удобрения (клевер, люпин, вика, го-рох, бобы). Эти культуры имеют развитую корневую систему, их корни проникают на большую глубину и рыхлят почву. В период цветения зеленую массу измельчают лопатой и пере-капывают. На следующий год на этом участке удобрения уже не применяют. Гарантия получения продукции с низким со-держанием нитратов в урожае обеспечена на 3–4 года.

Горохоовсяная смесь, выращиваемая на зеленое удобре-ние, – хороший предшественник для капусты; увеличивает

249

ее урожайность и снижает содержание нитратов примерно в l,5–2 раза не только в капусте, но и в выращиваемых после нее культурах (свекле столовой, моркови).

Овощные культуры формируют урожай высокого качества при оптимальной густоте стояния, при этом растения наи-лучшим образом используют азот из почвы и солнечный свет. Оптимальная густота стояния, обеспечивающая минимальное накопление нитратов, для моркови составляет 150–180 расте-ний на 1 м2, для свеклы столовой – 70–100, капусты белоко-чанной – 10–12, салата листовых сортов – 40–45, салата кочан-ного – 20–25, шпината – 40–50, редиса – 75–80, петрушки – 90–100, сельдерея – 20–25, редьки – 20–25, репы – 25–30 рас-тений на 1 м2.

Содержание нитратов в овощных культурах возрастает на 30–40 % при выращивании в тени плодовых деревьев или ягодников. Овощные растения, особенно зеленные культуры, лучше размещать на хорошо освещенных участках.

На накопление нитратов в овощных культурах влияет и влагообеспеченность. Поддержание влажности почвы в преде-лах 60–70 % полной полевой влагоемкости гарантирует мини-мальное накопление нитратов в продукции. В засушливое лето перед уборкой овощных и особенно зеленных культур (шпина-та, салата, укропа) их необходимо обильно полить.

Для получения высококачественных клубней картофеля с минимальным количеством нитратов проращивают и прогре-вают клубни, выбирают оптимальные ранние сроки посадки, стремятся сохранить ботву в вегетирующем состоянии в тече-ние длительного периода.

Рассматривая нитратное загрязнение сельскохозяйственной продукции, нельзя упускать из виду макро- и микроэлемент-ный состав почв, степень их загрязнения и др. Так, на почвах легкого гранулометрического состава, бедных калием, опас-ность нитратного загрязнения возрастает. Недостаток серы тоже способствует накоплению нитратов, так как сульфогруп-па входит в состав фермента нитратредуктазы, представляю-щей собой комплекс флавопротеина с молибденом. При дефи-ците в почве молибдена и марганца нитратредуктаза образует-ся в недостаточном количестве, что, в свою очередь, стимули-рует накопление нитратов в растениях.

Влияние нитратов и их производных на здоровье чело-века. Как вещества, обладающие токсичными свойствами, ни-траты и нитриты известны давно. Например, широкую извест-

250

ность получило заболевание под названием «метгемоглобине-мия», особенно опасное для детей грудного возраста. При этом заболевании нитратный ион (NO3

–) взаимодействует с гемогло-бином крови, образуя метгемоглобин, который не способен транспортировать кислород крови, что приводит к удушью.

Метгемоглобин – продукт окисления двухвалентного желе-за (Fe2+) в трехвалентное (Fe3+). В результате гемоглобин, име-ющий красную окраску, превращается в метгемоглобин, отли-чающийся темно-коричневой окраской.

При нормальном состоянии в организме образуется около 2 % метгемоглобина, поскольку редукторы красных кровя-ных телец (эритроцитов) взрослого человека обладают спо-собностью вновь превращать образовавшийся метгемоглобин в гемоглобин.

При поступлении значительных количеств нитратов в орга-низм человека проявляется цианоз (темно-синяя или фио-летово-синяя окраска слизистой и кожного покрова), понижа-ется кровяное давление, наблюдается сердечная и легочная недостаточность.

Первые признаки заболевания отмечаются при содержании в крови 6–7 % метгемоглобина. Легкая форма болезни соот-ветствует содержанию в крови 10–20 % этого вещества, сред-няя – 20–40 , а тяжелая – более 40 % (не исключается леталь-ный исход).

Нитраты в повышенной концентрации могут влиять на ак-тивность ферментов пищеварительной системы, метаболизм витамина А, деятельность щитовидной железы, работу сердца, на центральную нервную систему. Хроническая интоксикация нитратами снижает содержание в организме витаминов А, Е, С, В, и В6.

Повышенные количества нитратов в продуктах питания могут приводить к возникновению и более опасных заболева-ний. Нитриты, образовавшиеся в кишечнике, способны пре-вращаться в нитрозоамины – сильные канцерогены.

Механизм канцерогенного действия N-нитрозосоединений на молекулярном уровне включает алкилирование нуклеино-вых кислот, в первую очередь гуанина.

Канцерогенность нитрозосоединений для развивающегося плода в 10 раз выше, чем для взрослых людей, что, возможно, определяется большей активностью нуклеиновых кислот в пе-риод эмбрионального развития, а также высокой чувствитель-ностью нервной системы плода.

251

Изучение биологического действия нитратов и их производ-ных свидетельствует о том, что повышенные концентрации данных веществ могут отрицательно влиять на все жизненно важные функции человека.

16.3. Ïåñòèöèäû è äèîêñèíû

Пестициды и их остаточные количества. В агроэкосисте-мы наряду с удобрениями поступают различные химические соединения, используемые в качестве средств защиты растений от сорняков, болезней и вредителей и именуемые в целом пе-стицидами. Особое беспокойство вызывает возможность за-грязнения почв, воды, растений, в том числе урожая и продук-тов его переработки, остаточными количествами пестицидов.

Пестициды могут приводить к образованию злокачествен-ных опухолей у человека. Примерно 70 % применяемых со-единений попадает в организм человека с мясом, молоком и яйцами, а 30 % – с растительной пищей.

Основная причина накопления остаточных количеств пести-цидов в продуктах – нарушение правил и регламентов примене-ния препаратов (завышение рекомендуемых доз, нарушение сроков обработки сельскохозяйственных культур, неправиль-ный выбор препаративной формы и способа применения и т.п.).

При оценке возможности допуска нового препарата прово-дят экотоксикологическую проверку. При этом следует делать упор не только на выявление характерных особенностей пове-дения пестицида в окружающей среде, но и на его действие на растения и животных в процессе их биологического развития, т.е. контроль должен распространяться и на качество конечной продукции, используемой для питания. Необходимо знать все процессы прохождения загрязняющих веществ через организм растений и животных, питающихся данными растениями.

Критерием оценки содержания пестицидов является ПДК или ДОК. В разных странах эти нормативы неодинаковы, что затрудняет обмен продовольствием. Основная причина таких различий – использование разных методов определения оста-точных количеств препаратов и продуктов их распада.

Наиболее часто в пищевых продуктах содержатся остатки дихлордифенилтрихлорэтана (ДДТ) и изомеров гексахлорци-клогексана (ГХЦГ).

252

В то же время фосфорорганические пестициды нестабиль-ны, практически не накапливаются в продуктах питания.

Пестициды могут влиять на обменные процессы в растени-ях, что сказывается на химическом составе и пищевой ценно-сти продукции. При соблюдении всех правил применения средств химизации негативных изменений в составе и содер-жании питательных элементов в растениях не происходит, а накопление пестицидов в продукции не превышает ПДК.

Для того чтобы избежать возможности аккумуляции оста-точных количеств пестицидов в окружающей среде, снизить риск возникновения резистентных видов вредных организмов, необходимо чередовать препараты с разным механизмом дей-ствия. Использование отдельных эффективных приемов защи-ты растений не обеспечивает долговременного подавления вредных организмов, необходима интегрированная защита растений, когда химические методы сочетаются с биологиче-скими и агротехническими мероприятиями.

Растения по степени накопления остаточных количеств хлор органических пестицидов (ХОП) в продуктивных органах располагаются в следующем порядке: морковь > петрушка > картофель > свекла > многолетние травы > томат > кукуруза > капуста белокочанная. В корнеплодах ХОП накапливаются в основном в кожуре и в меньших количествах – в мякоти. Нако-пление пестицидов и продуктов их распада в пищевой продук-ции связано с процессами метаболизма, с биохимическим со-ставом растений. Длительному сохранению химических средств защиты растений в зерне, плодах и ягодах способству-ет наличие в продукции моносахаридов и полисахаридов, кото-рые являются стабилизаторами токсикантов (в фармакологии это свойство сахаров используют для приготовления таблеток).

Хлорорганические пестициды в течение нескольких деся-тилетий занимали одно из первых мест по масштабам исполь-зования в сельском хозяйстве. Они устойчивы к высокой тем-пературе, солнечной радиации, действию сильных кислот и щелочей. Характеризуются проч ностью образуемых химиче-ских связей, слабой растворимостью в воде. Эти свойства пред-определяют длительное сохранение препаратов в окружающей среде (период полураспада в почве 10–15 лет), способность циркулировать в природе и распространяться на большие рас-стояния, загрязняя природные компоненты.

Существует два пути поступления ХОП в экосистемы: 1) выпадение с осадками в результате глобального переноса

253

воздушных масс в направлении с запада на восток в северном полушарии; 2) многолетнее применение на полях ДДТ и ГХЦГ (второй путь – основной).

При распаде пестицидов в растениях могут образовываться различные соединения (метаболиты), вступающие в реакции ни-трозирования. Об этом свидетельствует обнаружение в расти-тельных тканях N-нитрозосимазина и N-нитрозоатразина, пред-ставляющих канцерогенную опасность. Хлорорганические со-единения и препараты диоксинового синтеза, которые сохраня-ются длительное время в почве, могут попадать в цепи питания человека и животных. В связи с этим необходимо нормирование содержания стойких пестицидов не только в пищевых продук-тах, но и в почвах. Если содержание пестицидов в почве выше ПДК, то некоторые культуры (морковь, петрушка, картофель) не рекомендуется выращивать на данном поле, поскольку часть препаратов может накапливаться в товарной части урожая.

Отдельное направление биологической защиты – использо-вание препаратов на природной (чаще всего растительной) основе. Следует помнить и о некоторых общедоступных прие-мах. Так, высушенные и измельченные листья картофеля, по-мещенные с клубнями в хранилище, снижают на 40 % потери продукта при хранении. Настой зеленого перца с чесноком или табаком весьма эффективен против колорадского жука.

Важно также учитывать потенциальные возможности са-моочищения и самовосстановления экосистем и их компонен-тов. Огромное количество пестицидов, циркулирующих в био-сфере, в конечном итоге осаждается в почве, влияя на качество сельскохозяйственных продуктов. Дальнейшая судьба ксено-биотиков, самоочищение агрофитоценозов от них зависят от свойств почвы, главным образом от ее биологической актив-ности. Микроорганизмы, выделяющие ферменты, играют основную роль в процессах разложения пестицидов в почве. Так, разложение препарата 2,4-Д в нестерильной почве проис-ходит в несколько раз быстрее, чем в стерильной.

При отсутствии воздействия светового фактора (фотораз-ложения) на долю микробного разложения 2,4-Д приходится около 70 %. Следовательно, поддержание условий, необходи-мых для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов, способствует ограничению поступления пестицидов в выра-щиваемую продукцию.

Диоксины. Опасность диоксинов как веществ, относящих-ся к разряду супертоксикантов, в конце 70-х гг. XX в. приоб-рела общепланетарные масштабы. Угрозу человечеству от

254

этой группы веществ можно сравнить с последствиями при-менения ядерного оружия. Особо опасны для окружающей среды и человека, главным образом, тетразамещенные диокси-ны – 2-, 3-, 7-, 8-ТХДД (тетрахлордибензо-п-диоксин). Они входят в состав пестицидов комплексного действия в качестве микропримеси. Наиболее важные химические характеристики диоксинов – чрезвычайная стабильность в сильнокислых и щелочных растворах, высокая устойчивость к окислителям. Период полураспада в почве составляет около 10 лет, в воде – 1–2 года. Диоксины прочно связываются с частицами почвы, поэтому плохо вымываются дождями. Однако их подвижность резко снижается с увеличением содержания в почве органиче-ского вещества. Диоксины концентрируются в основном в верхнем 15-сантиметровом слое почвы, а наибольшее их ко-личество находится на глубине 5–10 см.

Источники образования диоксинов и пути проникновения их в неживую и живую природу весьма разнообразны. Диок-сины имеют исключительно техногенное происхождение. Их появление в окружающей среде связано в первую очередь с производством и использованием хлорорганических соедине-ний и утилизацией их отходов. В воздушную среду диоксины попадают с дымом при сжигании промышленных и бытовых отходов, а также с выхлопными газами автомобилей. С воз-душными массами они переносятся на значительные расстоя-ния и могут быть причиной глобального загрязнения.

Накопление диоксинов осуществляется главным образом по пищевым цепям. Большинство диоксинов легко попадает в живые организмы через желудочно-кишечный тракт, кожные покровы. Они очень медленно выводятся из живых организ-мов, а из организма человека практически не выводятся. Даже при очень малых концентрациях диоксины вызывают подавле-ние иммунной системы и нарушают способность организмов к адаптации в изменяющихся условиях внешней среды. Это приводит к резкому подавлению жизнедеятельности. Диокси-ны особенно сильно действуют на человека, когда поступают в организм через пищевые цепи. Они попадают в живые орга-низмы из окружающей среды с водой, воздухом и из почвы.

Диоксины концентрируются наиболее активно в организме рыб и дойных коров. С рыбной продукцией, молоком и мясом они попадают в организм человека. В молоке коров, содержа-

255

щихся на фермах, расположенных вблизи мусоросжигатель-ных печей, химических, целлюлозно-бумажных и металлурги-ческих заводов, аккумулируется повышенное количество ди-оксинов. Вблизи данных объектов загрязняются, главным об-разом, вода и корма.

Диоксины – яды беспорогового действия. Они не должны присутствовать в продуктах питания, воздухе и питьевой воде населенных пунктов. Однако достичь этого, когда в биосфере уже циркулирует огромное количество диоксинов, а действую-щие производства продолжают поставлять данные ксенобиоти-ки в окружающую среду, практически невозможно. Необходимо ограничить риск, уменьшить вероятность поражения окружаю-щей среды и человека диоксинами, а следовательно, установить обоснованные нормы «потребления» данных веществ челове-ком, содержания их в окружающей среде и допустимые нормы техногенных выбросов теми или иными производствами.

Предельно допустимая норма cyточного и, соответственно, недельного потребления диоксинов выражается в диоксино-вом эквиваленте (ДЭ), т.е. в пересчете на такую массу 2-, 3-, 7-, 8-ТХДД, систематическое попадание которой в организм приводит к появлению одного пострадавшего на 1 млн чело-век. Суточное потребление диоксинов не должно превышать 0,1 пг/кг (1 пг = 10–12 г). Принято считать непригодными для проживания человека районы, где содержание диоксинов выше 1 мкг ДЭ в 1 кг почвы. Для сельскохозяйственных территорий действуют более жесткие нормы. Например, в Германии кон-центрация диоксинов на пастбищах не должна превышать 5 нг/кг почвы, в Нидерландах и Италии – 10, в США – 27 нг/кг почвы (1 нг = 10–9 г).

В России и Беларуси установлены максимально допусти-мые концентрации диоксинов: для пищевых продуктов – 0,036 нг/кг, для молока – 5,2 нг/кг, для рыбы – 8,8 нг/кг.

Фактическое содержание диоксинов в молоке колеблется от 0,7 до 8,8 нг/кг, в рыбе – от 0,2 до 5,0 нг/кг, в траве – от 0,7 до 8,8 пг/кг.

16.4. Áåíç(à)ïèðåíû è ïîëèõëîðáèôåíèëû

Бенз(а)пирены. Рост онкологических заболеваний объяс-няется влиянием на здоровье человека факторов окружающей среды. Среди органических веществ, загрязняющих природ-

256

ную среду, широкое распространение получили полицикли-ческие ароматические углеводороды и в их числе 3,4-бенз(а)пирен (БП).

Бенз(а)пирен обладает высокой активностью и считается индикатором загрязнения окружающей среды различными по-лициклическими ароматическими углеводородами. Поступле-ние БП и других представителей данной группы в окружаю-щую среду связано с деятельностью человека. Эти вещества образуются при неполном сгорании топлива и при некоторых видах термической переработки органического сырья, проте-кающих при температуре 400–600 °С (коксование углей, кре-кинг нефти и т.п.). В некоторых случаях БП может попасть в почву и возделываемые культуры при поливе сточными вода-ми коксохимических и нефтеперерабатывающих предприятий. Основным источником загрязнения БП считается автомобиль-ный транспорт (сажа и выхлопные газы). Загрязняются не только почвы, но и сельскохозяйственные угодья, а точнее, произрастающие на них растения. Выделяясь с выбросами ав-тотранспорта в атмосферу, БП оседает на поверхности почв различных экосистем и принимает активное участие в физико-химических и биохимических процессах, протекающих в окружающей среде. В результате вблизи дорог образуются зоны загрязнения. БП переносится на расстояния 3–25 км от источников выброса. Загрязнение территории этим веществом носит региональный характер.

Очень высокая стойкость БП и его производных в окружа-ющей среде ведет к постепенному накоплению таких веществ в почве, воде и воздухе, других объектах природы. Загрязне-ние почвы приводит к аккумуляции БП в сельскохозяйствен-ных культурах. Однако в загрязненной БП почве присутству-ют микроорганизмы, способные разрушать вещество с по-мощью окислительных ферментов. Существует действенный путь биологической очистки почвы, загрязненной БП.

Фоновое количество БП в почвах колеблется в пределах 0,2–12,8 мкг/кг. Содержание в болотных почвах составляет 6,1–8,9 мкг/кг, а в дерново-глеевых и дерново-карбонатных – 11,0–12,8 мкг/кг. Для различных почв в пределах одного реги-она характерна сильная неоднородность в фоновых уровнях содержания БП. Вблизи автомобильных дорог загрязнение почв может достигать более 200 мкг/кг.

Высокое содержание БП в почве и снеге обнаружено на расстоянии 1 км от предприятий – источников выбросов, по мере удаления от них содержание вредного вещества снижает-

257

ся. Из атмосферного воздуха и почвы это вещество поглощает-ся растениями, выращиваемыми в зоне активного загрязнения (вблизи предприятий органического синтеза). Возможно за-грязнение растений и в 2-километровой зоне вокруг свалок.

Промывание растений в течение 30 мин в проточной горя-чей воде снижает содержание БП в 1,5–2 раза по сравнению с исходным. Однако такая процедура эффективна лишь в том случае, если загрязнение растений произошло воздушным пу-тем, при поступлении БП в растения через корни промывание бесполезно.

Уровень загрязнения продукции БП зависит в первую оче-редь от общего загрязнения окружающей среды (воздуха, воды, почвы) и от особенностей технологии приготовления пищевых продуктов.

Несмотря на то что по широкому спектру объектов надеж-ные ПДК для БП не разработаны, необходимо помнить об опасности накопления этого вещества в объектах природы, а в итоге – в сельскохозяйственной продукции. Прежде всего сле-дует стремиться к устранению причин и источников поступле-ния данного загрязняющего вещества в окружающую среду.

Наибольшее количество БП накапливают капуста белоко-чанная и картофель, наименьшее – зерно, томаты, молоко.

В органах растений он распределен неравномерно. В семе-нах зерновых культур содержится приблизительно в 100 раз меньше данного вещества, чем в листьях, стеблях, корнях. Мак-симальное количество БП накапливается в кожуре клубней картофеля – 0,34–3,72 мкг/кг, а в мякоти – 0,09–0,61 мкг/кг.

Полихлорбифенилы. Полихлорированные бифенилы на-ходят (ПХБ) активное применение с конца 20-х гг. XX в. в ка-честве компонента масел, смазок, гидравлических жидкостей и типографских красок; их используют при производстве пластмасс, в электропромышленности и т.д.

Первоначально ПХБ отождествлялись с ХОП и их метаболи-тами. Однако позднее они были выделены в класс самостоятель-ных загрязняющих веществ промышленного происхождения.

Мировое производство ПХБ превышает 4 млн т. Из этого объема лишь 53 % используется в закрытых и 16 % – в услов-но закрытых системах, которые можно подвергнуть какому-либо контролю. Остальная масса ПХБ в той или иной форме оказывается в окружающей среде. В результате около 400 тыс. т их циркулирует в глобальной экосистеме. В окру-жающую среду (особенно в реки, заливы, эстуарии) попадает

258

примерно половина производимого количества ПХБ. Эти ве-щества обнаруживаются практически повсеместно.

ПХБ – трудноразлагаемые химические препараты, широко распространенные в окружающей среде. На открытом воздухе период их полураспада может составлять 10–100 лет, в почве – примерно 5 лет. Препараты обнаружены в организмах рыб, морских животных, птиц, в яйцах, маргарине, материнском молоке и в жировых тканях человека. У последнего они вызы-вают поражение печени, селезенки и почек, помутнение хру-сталика глаза, изменение пигментации кожи и нервные рас-стройства. Токсическое действие ПХБ усиливается при взаи-модействии их с ДДТ.

Воздействие ПХБ на человека возникает обычно при отсут-ствии надлежащих мер безопасности в процессе работы с хи-мической продукцией. Это может происходить, например, при изготовлении трансформаторов, конденсаторов и других элек-тротехнических устройств.

Известен случай массового поражения людей в Японии (1968), вызванный утечкой ПХБ из холодильного агрегата на одной из фабрик. ПХБ попали в резервуар с рисовым маслом. Отравленное рисовое масло поступило в торговую сеть в каче-стве продукта питания и корма для животных. В итоге сначала погибло около 100 тыс. кур, а вскоре примерно у 1 тыс. чело-век появились симптомы отравления. Позднее были обнару-жены тяжелые поражения внутренних органов и развитие зло-качественных опухолей.

Небезынтересно также, что голодание и охлаждение стиму-лируют кратковременное, но значительное повышение содер-жания ПХБ в крови, что может стать причиной повреждения печени.

Кардинальное решение проблемной ситуации – использо-вание ПХБ только в замкнутых производственных системах.

16.5. Ðåãóëÿòîðû ðîñòà ðàñòåíèé è ëåêàðñòâåííûå ñðåäñòâà

Регуляторы роста растений. Регуляторы роста растений – химические соединения с высокой биологической актив-ностью. Их применяют в небольших количествах (от милли-граммов до нескольких граммов на 1 га), чтобы повлиять на рост, развитие и жизнедеятельность растений, облегчить убор-ку урожая, улучшить его качество и сохранность и т.д.

Регуляторы роста подразделяются на природные и синтетические.

259

Природные регуляторы – это соединения, присущие расте-ниям и выполняющие роль фитогормонов (абсцизовая кислота, ауксины, гиббереллины, цитокинины, этилен и др.). Названные соединения не опасны для человека, поскольку в процессе эво-люции у него выработались механизмы их биотрансформации. К сожалению, возможность получения естественных регулято-ров роста растений в требуемых объемах ограничена из-за трудностей в синтезе и высокой стоимости, поэтому наиболь-шее применение получили синтетические вещества.

Синтетические регуляторы роста производят химическим или микробиологическим путем. В основном они являются ма-лостойкими веществами с периодом полураспада около 1 мес.

Степень опасности большинства искусственных регулято-ров роста для растительных и животных организмов практи-чески не изучена. Отсутствует систематизированная информа-ция о механизме действия данных препаратов на растения и животных. Между тем установлена способность накопления некоторых регуляторов в организме.

Низкие концентрации регуляторов роста обычно не обна-руживаются с помощью применяемых методов химического анализа (газовой хроматографии, хроматографии в тонком слое). В то же время более чувствительный иммунофермент-ный анализ позволяет установить наличие регуляторов роста. Иммуноферментный анализ свидетельствует об изменении процессов синтеза белка, приводящем к появлению дефектных белков. Предполагается также возможность негативного влия-ния регуляторов, связанная с нарушением внутриклеточного обмена и образованием токсичных соединений. Кроме того, остаточные количества регуляторов роста растений в продо-вольственном сырье и пищевых продуктах могут сами прояв-лять токсичные свойства.

Регуляторы роста растений представляют опасность для чело-века, поэтому необходимо создание таких технологий, которые исключали бы попадание этих веществ в продукты питания.

Лекарственные средства. Пищевые продукты могут за-грязняться различными лекарственными веществами, приме-няемыми для лечения и профилактики заболеваний животных, регуляции беременности, улучшения усвояемости кормов, ускорения роста, сохраняемости продуктов и пр. Некоторые из этих веществ могут достаточно долго находиться в продуктах животноводства и попадать в организм человека, представляя угрозу для здоровья.

260

Особенно опасны антибиотики, нитрофураны, сульфанил-амидные, гормональные препараты.

Около половины производимых в мире антибиотиков на-ходит применение в животноводстве. В Великобритании, на-пример, почти вся птица, 90 % свиней и стельных коров, 60 % крупного рогатого скота получают корма, содержащие анти-биотики. В США более 90 % кормов для свиней и птицы, 82 % кормов для телят содержат данные препараты.

В Беларуси для кормовых и ветеринарных целей в 1990–1995 гг. использовали антибиотики 58 наименований. Как пра-вило, их добавляют в корм в дозе 50–200 г на 1 т кормовой мас-сы. Используют и в качестве добавок в лед при транспортиров-ке рыбы, в качестве консервантов в колбасных оболочках и т.д.

Остатки антибиотиков в пищевых продуктах могут вызвать аллергические реакции, дисбактериоз, подавление ферментов.

Замечено, что чем чаще применяют разнообразные анти-биотики, тем менее эффективно они действуют. Увеличение числа устойчивых штаммов микроорганизмов прямо пропор-ционально повышению числа антимикробных средств. Пер-спектива – поиск соединений, способствующих образованию антимикробных веществ.

Нитрофураны обладают высокой антимикробной актив-ностью, их применяют для борьбы с инфекциями, устойчивы-ми к антибиотикам и сульфаниламидам, как антимикробные добавки к корму животных. Выведение нитрофуранов из орга-низма происходит с различной скоростью в зависимости от препарата и вида животного. В связи с этим существуют опре-деленные сроки отмены препаратов перед убоем, составляю-щие обычно 5 дней. В некоторых случаях данный временной разрыв увеличивают до 17–20 дней.

Допустимые концентрации нитрофуранов в пищевых про-дуктах не установлены. Считается, что они не должны содер-жаться в пище человека. Целесообразно также регламентиро-вать содержание нитрофуранов в кормах.

Есть сведения о мутационном эффекте нитрофуранов в концентрациях более 25 мкг/кг. Между тем уровень содержа-ния их в некоторых пищевых продуктах бывает значительно выше, что представляет угрозу для здоровья человека.

Сульфаниламиды применяют для лечения и профилактики заболеваний сельскохозяйственных животных, а поэтому не исключена возможность их попадания в пищевые продукты,

261

особенно при нарушении регламентов применения. Сульфанил-амиды по сравнению с антибиотиками менее эффективны, но они более дешевые и доступные.

В России и Беларуси содержание сульфаниламидов в про-довольственном сырье и пищевых продуктах не регламентиру-ется медико-биологическими требованиями. В США допусти-мый уровень содержания этих веществ в мясных продуктах составляет 0,1 мг/кг, в молоке – 0,01 мг/л. Между тем в про-дуктах питания сульфаниламиды обнаруживаются в высоких концентрациях.

В некоторых продуктах питания животного и растительно-го происхождения содержатся природные гормоны и гормоно-подобные соединения. Однако количество их весьма незначи-тельно, и они не оказывают заметного влияния на организм человека. Существует и другой путь попадания гормональных препаратов в пищу – использование этих веществ для стиму-ляции роста животных, улучшения усвояемости кормов, уско-рения полового созревания, регламентации сроков беременно-сти и т.д. Некоторые гормональные препараты обладают анабо-лической активностью. Естественные гормональные вещества – инсулин и соматотропин – достаточно быстро мета болизируются в организме и выводятся в виде неактивных веществ, а также разрушаются при приготовлении пищи. Однако их применение ограничено из-за высокой стоимости.

В практике сельскохозяйственного производства применя-ют преимущественно искусственные гормональные препара-ты, эффективность которых примерно в 100 раз выше, чем естественных. Искусственные препараты более устойчивы, плохо метаболизируются и накапливаются в организме живот-ных в значительных количествах. Особенно эффективен и ши-роко применяется диэтилстильбэстрол (несмотря на мутаген-ные и канцерогенные свойства).

Из-за трудоемкости методов и дороговизны приборов и оборудования возникают проблемы с регулярным определени-ем содержания гормональных препаратов. Между тем немно-гочисленные полученные данные свидетельствуют о загрязне-нии продуктов животноводства такими веществами.

Применение широкого спектра лекарственных препаратов в практике сельскохозяйственного производства требует стро-гого соблюдения гигиенических правил, направленных на мак-симальное снижение содержания рассмотренных веществ в пищевых продуктах.

262

16.6. Ïðîäóêòû æèçíåäåÿòåëüíîñòè âðåäèòåëåé,àôëàòîêñèíû è äðóãèå ìèêîòîêñèíû

Продукты жизнедеятельности вредителей. Вредители не только снижают продуктивность сельскохозяйственных куль-тур, но и существенно ухудшают качество урожая. При этом изменяются химический состав и вкусовые свойства продук-тов питания.

Вредители причиняют прямой и косвенный ущерб.К прямому ущербу относятся потери массы продукции,

ухудшение ее качества, снижение посевных качеств семенного материала, загрязнение продуктами жизнедеятельности, в том числе экскрементами.

Косвенные повреждения связаны с тем, что вредители мо-гут вызывать самосогревание зерна и перемещение влаги в зерновой массе. Вредители способствуют распространению микрофлоры, иногда переносят возбудителей болезней чело-века или сами вызывают болезни человека и животных.

Гусеницы плодожорки, поражая плоды яблони, выделяют экскременты, в составе которых содержатся вещества, облада-ющие канцерогенным действием. Эти вещества называют ин-сектотоксинами. Инсектотоксиканты – продукты жизнедея-тельности вредителей, выделяемые ими при поражении расте-ний и обладающие токсическим (канцерогенным) действием на человека и животных.

Амбарный долгоносик поражает зерно ржи, пшеницы, яч-меня, кукурузы и продукты ее переработки. Поврежденное зерно непригодно для употребления в пищу, так как может вы-зывать расстройство органов пищеварения, воспаление ки-шечника.

При поражении зерна малым мучным хрущаком мука ста-новится комковатой, приобретает неприятные вкус и запах. Такая мука вредна для человека и животных и подлежит уни-чтожению.

Личинки зернового точильщика проникают внутрь зернов-ки, развиваются там, выделяют экскременты. При сильном за-ражении в зерновой массе накапливается много фекальной пыли, которая имеет медово-плесенный запах, характерный для заражения зерна точильщиком. Зерновой точильщик по-вреждает зерно пшеницы, риса, овса, ржи, сорго, кукурузы и гречихи.

263

В зерне с повышенной влажностью развивается мучной клещ. Зерно, поврежденное клещом, имеет неприятный медо-вый запах и вредно для человека.

Широко распространенный вредитель гороха – гороховая зерновка. Личинка жука внедряется в горошину и там развива-ется до жука. Поврежденное зерно, заполненное экскремента-ми, нельзя использовать в пищу и на корм животным, так как в нем содержится вредный алкалоид – кантаридин.

Для уменьшения повреждения продукции ученые выводят устойчивые к вредителям сорта. Важно тщательно контроли-ровать зараженность различных объектов, предупреждать за-ражение продукции, создавать условия, исключающие или ограничивающие развитие вредных организмов.

Система профилактических мероприятий, направленных на сокращение потерь продукции от вредителей, должна преду сматривать: хранение зерна и продуктов его переработки только в специальных хранилищах; полное соответствие таких хранилищ требованиям оптимального хранения продукции; постоянную очистку и предварительную подготовку хранилищ для хранения продукции; удаление из хранилищ отходов, сжи-гание или захоронение их в специально отведенных местах; максимальную очистку от вредителей и соответствующую об-работку продукции перед ее закладкой на хранение.

Рекомендуемые меры по предупреждению заражения про-дукции вредителями заметно сдерживают расселение вредных организмов и существенно снижают вероятность загрязнения и порчи зерна продуктами жизнедеятельности вредителей.

Афлатоксины и другие микотоксины. Микотоксины – токсичные продукты жизнедеятельности различных видов микроскопических грибов. Они относятся к классу природных токсинов, способных вызывать тяжелые заболевания живот-ных и человека.

В результате поражения грибами ежегодно при хранении портится до 30 % производимого зерна. При этом испорченное зерно зачастую используют на корм скоту, что может привести к плачевным результатам. Так, в 60-х гг. XX в. в Великобрита-нии погибло свыше 50 % поголовья индеек в результате забо-левания, вызванного продуктами жизнедеятельности плесне-вого гриба Aspergillus fl avus, которыми были заражены корма. Данные вещества не только токсичны, но и обладают канцеро-генным действием.

264

Среди известных микотоксинов лучше всего изучены аф-латоксины – токсины, которые накапливаются в тканях или органах отдельных видов растений, особенно произрастаю-щих в тропическом поясе. Известны два основных афлатокси-на, названных В1 (обладает большой канцерогенностью) и G1. Аккумулируются афлатоксины в продуктах питания, изготов-ление которых связано с концентрированием белков.

Микотоксины представляют собой пятичленное многоядер-ное гетероциклическое соединение. Грибные токсины в боль-шинстве своем – яды экзогенного действия, т.е. выделяются и находятся в субстрате, на котором растет гриб, а не в структу-ре гриба. Они обладают очень высокой устойчивостью к на-греванию, длительному ультрафиолетовому облучению; неко-торые устойчивы к действию кислот и щелочей.

Микробные токсины вредны для клетки уже в незначитель-ных концентрациях. ПДК их составляет 0,5 мкг/кг. Между тем встречаются штаммы грибов, продуцирующие токсины в кон-центрации 40 000 мг/кг. Механизм действия микотоксинов за-ключается в блокировке жизненно важных аминокислот (ала-нина, тирозина, триптофана) и образовании аминосоединений (аминов). Последние даже в незначительных количествах мо-гут сильно воздействовать на кровеносные сосуды. У растений под влиянием токсичных веществ гриба теряется тургор, обесцвечиваются листья, отмечается побурение сосудов и ухудшаются обменные процессы. Микотоксины – это плазма-тические яды.

На рост грибов и образование токсинов влияют температу-ра среды, влажность воздуха, тип субстрата, его влажность и продолжительность хранения.

Большое значение имеет наличие определенных химиче-ских веществ. Так, повышенное количество липидов (жиров) в семенах масличных культур увеличивает подверженность их загрязнению афлатоксинами. Высокая устойчивость спор, на-ходящихся в почве (на глубине до 80 см), способствует повсе-местному распространению плесневых грибов.

В организм человека микробные токсины могут попадать с продуктами питания растительного и животного происхожде-ния (причем последние менее опасны в связи с распадом и ча-стичной инактивацией ядов в организме животных). Остаточ-ные количества микотоксинов в продуктах вызывают канцеро-генный и мутагенный эффекты.

265

Субстратом для развития плесневых грибов служит различ-ная сельскохозяйственная продукция. Эти грибы можно разде-лить на две экологические группы: полевые грибы и плесени хранения.

К первой группе относятся грибы, которые поражают семе-на растений в поле, на корню или в валках. Развитие грибов на зерновых культурах происходит, когда влажность зерна нахо-дится в равновесии с относительной влажностью воздуха и составляет более 90 %. Зерно с такой влажностью хранят обычно в течение непродолжительного времени.

При определенных условиях афлатоксины могут попадать в корма для различных животных и в пищу человека. Напри-мер, при скармливании животным заплесневелого зерна риса у них развивался рак печени, поскольку афлатоксины в боль-шей степени накапливаются именно в печени. Чувствитель-ность к токсическому действию афлатоксинов зависит от вида животных. Относительно менее восприимчивы овцы, наибо-лее чувствителен молодняк птицы (утки, куры, индейки), а также кролики, промежуточное положение занимают свиньи.

Среди микотоксинов известен стеригматоцистин, способ-ный вызывать заболевания печени. Канцерогенным действием обладает микотоксин, выделенный из Streptomyces hepaticus и называемый элаиомицином. По своему действию он напомина-ет нитрозоамины. Продукт жизнедеятельности гриба Fusariиm – фузариотоксин, накапливающийся в хранящемся зерне и спо-собный вызывать заболевания животных и человека.

Для защиты от афлатоксинов и других микотоксинов очень важно исключить условия, благоприятствующие образованию плесневых грибов на продуктах питания, поскольку рассма-триваемые токсиканты устойчивы к действию температуры и не разрушаются при кипячении, поджаривании и при обработ-ке в автоклаве. Оптимальные условия для хранения – сухой воздух и температура до 10 °С.

16.7. Îñíîâíûå ïî÷âåííî-ýêîëîãè÷åñêèå ôàêòîðû, îïðåäåëÿþùèå áåçîïàñíîñòü

ñåëüñêîõîçÿéñòâåííîé ïðîäóêöèè

Связь «чистоты» сельскохозяйственной продукции с состоянием почвенного покрова. Используя почвенные ре-сурсы, человек получает примерно 90–94 % продуктов пита-

266

ния. И «чистота» этих продуктов определяется свойствами по-чвы, ее самоочищающей и буферной способностями, которые в значительной степени зависят от содержания гумуса, кислотно-сти почвы, гранулометрического и минералогического составов, окислительно-восстановительных условий, плотности почвы.

Оценивая основные почвенно-экологические факторы, определяющие безопасность сельскохозяйственной продук-ции, необходимо принимать во внимание следующее.

Гумус в почве выполняет ряд экологических функций. Об-ладая высокой сорбционной способностью, гумусовые веще-ства образуют с токсикантами (например, с тяжелыми метал-лами) малоподвижные соединения и тем самым предотвраща-ют поступление токсикантов в сельскохозяйственные продук-ты. Так, гуминовые кислоты почвы, содержащей 4 % гумуса, могут связать (в расчете на 1 га): 17 929 кг железа, 4500 кг свинца, 1517 кг меди, 1015 кг цинка, 913 кг марганца.

Гумус не только сорбирует вещества, но и активизирует поч венную биоту, нормализует структуру микробного ценоза, блокирует таким образом появление микотоксинов и загрязне-ние ими продуктов питания.

В связи с этим на почвах подзолистого типа, бедных орга-ническим веществом, опасность загрязнения сельскохозяй-ственной продукции значительно выше, чем на черноземах.

Экологическая безопасность сельскохозяйственной про-дукции зависит и от кислотности почвы (рН), влияющей на растворимость токсикантов и их поступление в растения. В поч вах, имеющих реакцию, близкую к нейтральной, опас-ность загрязнения сельскохозяйственной продукции (напри-мер, тяжелыми металлами) снижается. При увеличении же кислотности, как и щелочности, растворимость тяжелых ме-таллов возрастает, и миграция их в растения увеличивается. Как и гумус, рН почвы влияет на структуру микробного цено-за, снижая или повышая опасность микотоксинового загрязне-ния пищевых продуктов. Учет фактической кислотности почв при размещении сельскохозяйственных культур и ликвидация избыточной кислотности с помощью известкования очень важны для получения безопасной продукции.

Гранулометрический и минералогический составы почвы влияют на емкость катионного обмена, что обусловливает раз-личную подвижность токсикантов, а следовательно, разную степень поступления их в сельскохозяйственную продукцию. Так, на почвах тяжелого гранулометрического состава, имею-

267

щих большую площадь поверхности частиц, емкость катион-ного обмена выше, что уменьшает подвижность токсиканта и поступление его в пищевые продукты.

Сельскохозяйственная продукция, выращенная на почвах, в состав которых входят минералы с невысокой емкостью кати-онного обмена (например, каолиниты), легче загрязняется ток-сикантами, чем выращенная на почвах, представленных мине-ралами монтмориллонитовой группы.

На переувлажненных почвах (глееватых, глеевых) увеличи-вается опасность загрязнения сельскохозяйственной продукции токсикантами (тяжелыми металлами) вследствие увеличения их подвижности. Избыток воды в почве способствует появле-нию в ней металлов с низкой валентностью в более раствори-мой форме. Использовать для выращивания сельскохозяйствен-ных культур почвы с нарушенным гидрологическим режимом следует только после мелиоративных работ.Уплотнение почвы увеличивает подвижность токсикантов

(тяжелых металлов), что делает опасным выращивание сель-скохозяйственных культур. Так, увеличение плотности почвы с 0,6–1,0 до 1,3–1,8 г/см3 усиливает подвижность тяжелых ме-таллов в несколько раз.

Определенную роль в вопросах «здоровья» почвы, а следо-вательно, качества выращиваемой сельскохозяйственной про-дукции играют населяющие почву живые организмы, особен-но микробиота. При попадании токсикантов в почву их даль-нейшая судьба зависит от активности и структуры микробных ценозов, которые определяют самоочищающую способность почвы. Эта способность тесно взаимосвязана с рассмотренны-ми ранее почвенно-экологическими факторами.

Не случайно, например, превращения пестицидов с наи-большей интенсивностью происходит в черноземах, характе-ризующихся высоким содержанием гумуса, благоприятной реакцией среды, повышенной биологической активностью, определенной структурой микробного ценоза и микробным разнообразием. Черноземные почвы обладают и способностью противостоять действию поступающих в почву токсикантов, т.е. хорошей буферностью.

Таким образом, сохранение и увеличение содержания гу-муса в почве, оптимизация почвенной кислотности и разуплот-нение почвы – важные условия получения экологически безопа-сной сельскохозяйственной продукции.

268

Приемы снижения негативного действия токсикантов. Значительные площади наиболее загрязненных почв на мно-гие годы безвозвратно выпали из сельскохозяйственного обо-рота. Однако многолетние исследования, отечественный и за-рубежный опыт позволяют рекомендовать производству до-статочно выверенные приемы, обеспечивающие полную или частичную рекультивацию загрязненных почв. Это химиче-ская, физико-химическая и биологическая мелиорация, а так-же специальные агротехнические мероприятия.

Использование в качестве мелиорантов известковых ма-териалов, калийных удобрений и других химических средств дает возможность:

довести реакцию среды (рН почвы) до уровня, когда по- движные соединения тяжелых металлов, радиоактивных эле-ментов и других токсикантов переходят в недоступную или менее доступную для сельскохозяйственных растений форму;

создать в почвенном растворе повышенную концентра- цию элементов-антагонистов (например, калия, фосфора, каль-ция и др.) и таким образом сократить поступление токсичных элементов в выращиваемые растения;

в результате химической реакции в почвенном растворе перевести токсичные соединения в менее опасные формы.

Физико-химическая мелиорация основана на способности различных мелиорантов адсорбировать токсичные элементы и удерживать их на поверхности или в структуре кристалличе-ской решетки, что в значительной степени блокирует посту-пление токсикантов в сельскохозяйственные растения. К таким мелиорантам относятся активированный уголь, цеолиты, монтмориллониты, вермикулит и т.д. Примером физико-хи-мической мелиорации может служить использование ионитов, действие которых заключается в обмене ионов нетоксичных элементов (веществ) на токсичные.

Сложилось несколько направлений биологической рекуль-тивации. Среди них выращивание растений – концентраторов токсичных веществ (ежа сборная, волоснец песчаный, гречиха сахалинская и т.д.). С помощью этих растений можно извле-кать токсиканты из почвы. Повышение биологической актив-ности почвы в результате внесения органических удобрений, известкования, разуплотнения почвы способствует переводу более токсичных соединений в менее токсичные.

269

Специальные агротехнические мероприятия включают удаление или глубокую заделку загрязненного слоя, землева-ние и др.

Использование достижений биотехнологии. Среди но-вых направлений биотехнологии, способствующих получению экологически безопасной продукции, следует отметить приме-нение микробиологических удобрений, промышленную пере-работку бытовых отходов, индустриальную технологию ком-постирования отходов животноводства – технологию перера-ботки экскрементов с использованием навозной мухи, перера-ботку отходов для получения биогаза и экологически чистых органических удобрений и др.

Микробиологические удобрения представляют собой пре-параты, содержащие живые культуры микроорганизмов, кото-рые обладают ценным свойством повышать продуктивность растений и качество растительной продукции. Микробиологи-ческие удобрения вносят непосредственно в почву или ис-пользуют для предпосевной обработки семян.

Азотфиксирующие микроорганизмы служат прекрасной основой для производства экологически чистых и благотворно влияющих на качество сельскохозяйственной продукции био-удобрений. Так, при инокуляции микробным азотом по срав-нению с азотом минеральным в растениях увеличивается со-держание белка и витаминов, а также ускоряется созревание.

Микроорганизмы образуют физиологически активные ве-щества – фитогормоны, антибиотики и другие продукты мета-болизма, подавляющие рост патогенной микрофлоры. Кроме того, они стимулируют увеличение доступности для растений макро- и микроэлементов. Применение бактериальных удобре-ний предотвращает загрязнение нитратами и обеспечивает по-лучение сельскохозяйственной продукции высокого качества.

Большинство удобрений такого вида разрабатывают на основе бактерий рода Rhizobium. Имеется положительный опыт и в использовании для этих целей Azotobacter. В послед-ние годы показана перспективность получения препаратов из бактерий рода Klebsiella, а также полиштаммовых (два и более штамма) композиций. Такие композиции в некоторых случаях уникальны по своей эффективности и часто превосходят луч-шие зарубежные образцы-аналоги. Преобладающее большин-ство микробных препаратов изготовляют в гранулированной или порошкообразной форме на основе торфа, а также в виде масляной эмульсии или замороженного концентрата клеток.

Крупнейшие производители микробных инокулянтов – Ав-стрия, Индия, США.

Организация производства и рациональное использование биопрепаратов в перспективе дадут возможность повысить продуктивность основных сельскохозяйственных культур в среднем на 20–25 %, обеспечить получение продукции бо-лее высокого качества, сократить период вегетации возделы-ваемых растений на 15–25 %, повысить рентабельность произ-водства. Кроме того, как показывают результаты исследова-ний, применение микробных инокулянтов позволит экономить до 50–60 кг азотных удобрений на 1 га, значительно умень-шить применение пестицидов и т.д. Все это в конечном итоге весьма существенно для формирования и развития процессов экологизации сельскохозяйственного производства.

271

Ãëàâà 17

ÀÃÐÎÝÊÎÑÈÑÒÅÌÛ È ÏÐÎÁËÅÌÛ ÑÎÕÐÀÍÅÍÈß ÁÈÎËÎÃÈ×ÅÑÊÎÃÎ ÐÀÇÍÎÎÁÐÀÇÈß

17.1. Ñóùíîñòü ïîíÿòèÿ «áèîëîãè÷åñêîå ðàçíîîáðàçèå»

Живые организмы – основной фактор формирования прост-ранственно-временной и функциональной структур биосферы. Биологическое разнообразие (БР) мира, или разнообразие жи-вых организмов, представляет собой большую ценность по экологическим, генетическим, социальным, экономическим, научным, образовательным, культурным, рекреационным и эстетическим качествам. Разнообразие важно для эволюции и сохранения систем жизнеобеспечения биосферы. Сохранение и устойчивое использование биологического разнообразия особенно важно для удовлетворения многих потребностей увеличивающегося населения Земли (в продовольствии, ле-карственных средствах и т.д.).

Для биосферы характерно огромное разнообразие живых организмов. В настоящее время на Земле насчитывается около 5 млрд видов. Однако БР значительно сокращается в связи с интенсификацией производственной деятельности человека. Принципиально важно спрогнозировать, предупредить и устранить причины такого сокращения.

Человечество обязано сохранить БР и обеспечить устойчи-вое использование его компонентов. Важное значение имеет сохранение БР как источника генетических материалов расти-тельного, животного, микробного или иного происхождения, несущих в себе функциональные механизмы наследственно-сти. Необходимо также сохранить экосистемы и ландшафты, которые включают живые организмы и вещества, функциони-рующие как единое целое. Конечно, для этого требуются не-малые материальные ресурсы, но они окупятся благодаря по-лучению многочисленных выгод в биологической, экономиче-ской и социальной областях.

Очевидно, что БР необходимо для сохранения функцио-нальной структуры биосферы и составляющих ее экосистем.

С позиций иерархии природных систем естественный био-ценотический покров Земли рассматривается в виде разномас-

272

штабной иерархически структурированной мозаики по пу-ляционно-видовых сочетаний в пространстве абиотических факторов, преобразуемых в результате жизнедеятельности био-ты. Наличие всех элементов живого покрова, характерных для исследуемого района, или «полночленность» сукцессионной мозаики, принимается как необходимое условие сохранения биоразнообразия данной территории. Исходя из этого, каждому местоположению свойственно определенное разнообразие био-геоценозов или экосистем. Оно включает взаимосвязанные фазы формирования и регенерации биогеоценозов, разные эта-пы их нарушения естественными и антропогенными фактора-ми, а также различные стадии циклических и других смен, ре-гулируемых взаимодействием живых организмов друг с другом и с условиями обитания биотического сообщества.

Таким образом, биологическое разнообразие – функция распределения трофических ресурсов. Она отображает пространственно-временную и функ циональную структуры биосферы. При этом обеспечиваются непрерывность живо-го покрова планеты и развитие жизни во времени, эффек-тивность биогенных процессов в экосистемах, поддержание динамического равновесия и восстановление сообществ.

17.2. Óðîâíè áèîëîãè÷åñêîãî ðàçíîîáðàçèÿ

Выделяют три уровня биологического разнообразия: видо-вое, генетическое и структурное.

Видовое разнообразие отражает число видов и встречае-мость их особей на конкретной территории. Различают альфа-разнообразие (число видов в рассматриваемом биотопе), бета-разнообразие (число видов во всех биотопах данной области) и гамма-разнообразие (показатель, объединяющий альфа- и бета-разнообразия).

Показателем видового разнообразия принято считать соот-ношение между числом видов и показателями их удельного значения (численность, биомасса, продуктивность и т.д.) или отношение числа видов к единице площади. В качестве оце-ночного показателя используется также видовое богатство – характеристика сообщества, определяемая либо абсолютным, либо относительным числом видов.

Однако не может быть и речи о том, чтобы в обозримом будущем описать все разнообразие видов в силу целого ряда обстоятельств: отсутствия общих критериев выявления новых

273

видов, ошибочного описания некоторых видов и т.д. Напри-мер, даже в относительно хорошо изученных группах позво-ночных, составляющих не более 2 % всего видового разно-образия, каждый год прибавляется около 20 новых видов. В то же время огромное видовое богатство полога тропического леса, почвы и морского дна еще практически не изучено.

Более объективный подход требует разработки детализиро-ванной таксономической классификации сообществ как одно-го из условий сохранения БР. Это закономерно, поскольку со-хранение БР во многом зависит от знания эволюционных про-цессов и ныне действующих факторов, под влиянием которых оно и сложилось. К тому же точно определить функциональ-ное назначение каждого вида в любой экосистеме весьма сложно. Так, изъятие конкретного вида далеко не всегда при-водит к ее разрушению. Многое зависит от сложности экоси-стемы (например, в арктических сообществах с относительно простой трофической структурой удельный вес каждого вида намного выше, чем в тропиках), ее сукцессионной и эволюци-онной стадий развития, определяющим перекрытие (дублиро-вание) экологических ниш и избыточность структурных эле-ментов. При этом дублирование и избыточность в теории си-стем рассматриваются как факторы устойчивости. Отсюда правомерно заключить, что отдельный элемент, в том числе и вид, не всегда играет существенную роль в БР. Оно функцио-нально, и каждый его компонент формируется системой, в ко-торую входит. В свою очередь, он (компонент) по принципу обратной связи определяет особенности ее структуры.

Тем не менее одной из основных характеристик любого биоценоза является его видовой состав или общее число видов растений, животных и микроорганизмов на конкретной пло-щади земли или в определенном объеме жидкости. Состав и число видовых популяций не остаются постоянными на фоне природных и антропогенных воздействий.

Различия в видовом разнообразии сообществ обусловлива-ются рядом причин.

Во-первых, сообщества с высоким разнообразием обычно отличаются широким диапазоном имеющихся ресурсов.

Во-вторых, экологические ниши видов, входящих в состав сообществ, могут иметь небольшую ширину.

В-третьих, два сообщества с одинаковым пищевым про-странством и средней шириной ниши все же могут разли-чаться по среднему перекрыванию ниш. Это связано с тем,

274

что высокое перекрывание означает возможность существо-вания большого числа видов, использующих любой налич-ный ресурс.

Еще один путь увеличения разнообразия сообществ – раз-личия в питании, и не только в зависимости от деления на тро-фические уровни, но и с учетом характера питания (например, разные хищники могут добывать различную пищу).

Видовое разнообразие возрастает при увеличении размеров площади местообитания, а также при продвижении от высо-ких широт к экватору.

В то же время в сообществах, подвергающихся стрессовым воздействиям, видовое разнообразие невелико.

Генетическое разнообразие отображает генетическую ин-формацию, содержащуюся в живом веществе Земли конкрет-ной территории.

С позиций генетического разнообразия ценность вида определяется тем, насколько он отличается от других видов (теоретически по степени перекрытия генофондов – совокуп-ности генотипов популяции, но практически – по таксономи-ческим особенностям). Экологическое видообразование про-исходит в тех случаях, когда популяции одного вида, оставаясь в пределах своего ареала, оказываются в новых условиях су-ществования и осваивают разные экологические ниши, ис-пользуют разные места для размножения. У растений, напри-мер, в таких случаях не совпадают сроки цветения, у живот-ных – сроки спаривания (сезонные изоляции). В результате отбора изменяется генотипический состав популяций, и через множество поколений эти изменения могут привести к нескре-щиваемости, т.е. к образованию новых видов.

Правомерно предположить, что в основе экологического видообразования лежат экологические формы изоляции. На-пример, яровые и озимые – различные расы зерновых; у миног и лососевых наблюдается разное время нереста, что связано с высокой степенью изоляции между особями этих рас.

Возникновение неопределенных в природных условиях изолирующих барьеров между видами означает начало межви-дового отбора. В результате происходит макроэволюция (над-видовая эволюция), т.е. образование из видов новых родов, из родов – новых семейств и т.д. В основе макроэволюции лежат микроэволюционные процессы, в основе географического ви-дообразования – те или иные пространственные изоляции и другие физико-географические препятствия.

275

Хотя в целом виды лучше приспособлены к функциониро-ванию в некотором узком диапазоне, популяции вида нередко подразделяются на субпопуляции, или экотипы (экологические расы и разновидности растений и животных, чаще всего нахо-дящихся в пределах непрерывных рядов климатической, эда-фической и ценотической изменчивости).

Переход от экотипов к более детальному анализу популя-ционной структуры позволяет выделить изменчивость внутри небольших локальных популяций. Такая изменчивость назы-вается полиморфизмом. Генетический полиморфизм – сосу-ществование в пределах одного и того же местообитания двух и более различных видовых форм. Во многих случаях внутри-популяционный полиморфизм поддерживается естественным отбором.

Теоретически популяция при воспроизведении из поколе-ния в поколение сохраняет частоты генов и генотипов (сово-купность всех наследственных свойств организма), однако при различных воздействиях происходят мутации (изменения мор-фологического и физиолого-поведенческого характера, связан-ные с изменением числа и структуры хромосом, структуры от-дельного гена или их группы). Возникающие в результате му-таций варианты структуры генетических локусов (участков хромосомы) аллели (варианты гена) зачастую не имеют адап-тивного эффекта и составляют нейтральную часть полимор-физма, подверженную случайным изменениям (дрейфу генов), а не направленному отбору.

Таким образом, генетическое разнообразие заключается в поддержании генотипической гетерозиготности (неоднород-ности генотипа по какому-либо наследственному признаку), полиморфизма и другой генотипической изменчивости, кото-рая вызвана адаптационной необходимостью в природных по-пуляциях. При этом внутрипопуляционный полиморфизм про-исходит при естественном отборе различными путями. В не-которых случаях гетерозиготы обладают повышенной приспо-собленностью, но из-за менделевского расщепления они постоянно пополняют популяцию порождаемыми ими менее жизнеспособными гомозиготами (генотипы, однородные по наследственным признакам). Интенсивность отбора изменяет-ся в пределах некоторого диапазона, причем на одной из его границ отбор может благоприятствовать одной форме (морфе), а на другой границе – иной. При промежуточной интенсивно-сти отбора могут возникать полиморфные популяции.

276

Снижение видового и генетического разнообразия, проис-ходящее вследствие деятельности человека, ставит на грань риска возможность будущих адаптаций как в природных эко-системах, так и в агроэкосистемах. Классическая теория под-держания генетического разнообразия основывается на том, что особи в популяции должны быть гомозиготными по алле-лям, дающим наибольшую приспособленность.

Существует и альтернативная теория, согласно которой особи гетерозиготны по большинству локусов, и высокий по-лиморфизм поддерживается разными формами сбалансиро-ванного отбора.

Теория сбалансированного полиморфизма более приемлема для сохранения генетического разнообразия. Это подтвержда-ется и современными биохимическими методами, которые вы-являют скрытую генетическую изменчивость. В то же время полиморфизм поддерживается естественным отбором. В от-сутствие же генетической изменчивости виды оказались бы неспособными адаптироваться к новым ситуациям и, следова-тельно, должны были бы вымирать в изменяющейся среде.

Хотя эволюция популяционного разнообразия всегда пред-ставляет собой суммарный результат дрейфа генов и отбора, их соотношение зависит от состояния экосистем. Если струк-тура экосистем нарушена и стабилизирующий отбор ослаблен, то эволюция приобретает некогерентный (несогласованный) характер и генетическое разнообразие возрастает за счет мута-генеза (процесса возникновения наследственных изменений – мутаций) и дрейфа генов без соответствующего роста видово-го разнообразия.

При этом более проявляющаяся неоднородность среды ста-новится фактором отбора генотипов, наиболее приспособлен-ных к ландшафтно-ценотической мозаике. Причем общее ге-нетическое разнообразие одинаково в случае десяти близких видов с 60 % общих генов и пяти обособленных видов с 10 % общих генов. В этом смысле особой ценностью обладают ре-ликтовые (сохранившиеся от более древних эпох) виды, пред-ставляющие некогда разнообразные группы высокого ранга. (Например, древесная порода гинкго – реликт древних голосе-менных, образующих леса мезозойской эры.)

Поддержание генофонда обеспечивается специальными мероприятиями по предохранению видов и их сообществ от деградации и гибели.

277

Редкие и исчезающие виды растений и животных – исклю-чительно важные носители генофонда локальных флор, сло-жившихся в процессе длительного исторического развития. Они хранят в себе информацию о произошедших ранее пере-менах. Поэтому предупреждение утраты редких видов, харак-терных и экзотических сообществ следует рассматривать как одно из важных условий решения проблемы сохранения био-разнообразия.

Состав и структура современных биогеоценозов на регио-нальном уровне определяются историей формирования кон-кретной биоты, особенностями климата, спецификой экотопа, а также антропогенными воздействиями и природными явле-ниями катастрофического характера (пожарами, ураганами и т.п.). Фито-, зоо-, а также микогенные (грибные) мозаики со-вместно с доантропогенными условиями и с мозаикой абиоти-ческих нарушений определили формирование разнородных участков территории. Это, в свою очередь, способствовало су-ществованию всей гаммы биологического разнообразия.

Таким образом, структурное разнообразие биоты является следствием зональности, стратифицированности (разделения на гетерогенные участки), периодичности, пятнистости, нали-чия различных пищевых сетей и других способов ранжирова-ния компонентов популяций по микроместообитаниям.

Особенности структурного разнообразия хорошо просле-живаются на примере растительных объектов. Как известно, одним из элементов мозаики растительного покрова, наиболее крупным во временном масштабе, является климаксовое со-общество, или растительное сообщество, находящееся в за-ключительной стадии развития в относительно стабильном, устойчивом состоянии. Наличие здесь всех элементов живого покрова, характерных для исследуемого района, или «полно-членность» сукцессионной мозаики рассматривается как необ-ходимое условие биоразнообразия данной территории.

Важность знания структурных изменений в динамике объ-ясняется тем, что сукцессия является связующим звеном меж-ду эволюцией и экологическими процессами и характеризует последовательность стадий формирования экосистемы или биотического сообщества. Автогенетические сукцессии (эво-люционные в результате действия внутренних факторов) про-ходят ряд промежуточных – сукцессионных – стадий и завер-шаются зрелым коренным, или климаксовым, сообществом.

278

Со структурным разнообразием объективно связано разно-образие экосистем, отражающее количество разных типов ме-стообитаний, сообществ и экологических процессов.

17.3. Ýêîëîãè÷åñêîå è ýêîíîìè÷åñêîå çíà÷åíèåáèîëîãè÷åñêîãî ðàçíîîáðàçèÿ

Согласно современным представлениям, нашедшим отра-жение в документах состоявшейся в Рио-де-Жанейро (июнь, 1992 г.) Конференции по окружающей среде и развитию (Кон-венция по биологическому разнообразию, Декларация по окружающей среде и развитию и др.), устойчивое развитие че-ловечества и сохранение многообразия живой природы (био-разнообразия) относятся к необходимым и взаимообусловлен-ным приоритетам при организации и осуществлении природо-пользования и иной деятельности.

Проблеме сохранения БР уделяется все большее внимание. Данная проблема – одна из кардинальных в современном мире и закономерно вызывает глубокую озабоченность. Об этом, в частности, свидетельствуют проекты по созданию различных питомников, банков и коллекций посевного материала и дру-гие, которые необходимы в качестве хранилищ как можно большего набора различных генетических ресурсов.

Биологическое разнообразие растений, животных и микро-организмов – фактор фундаментальной важности для выжива-ния человечества. Биологические ресурсы играли, играют и будут играть незаменимую роль в качестве источника продо-вольственных и других ресурсов, формирующих системы жиз-необеспечения. «Насыщенность» БР различными компонента-ми органического мира определяет пределы, в которых дикие и окультуренные виды могут адаптироваться к меняющимся внешним и внутренним условиям и воздействиям.

Известно, что большая часть БР сосредоточена в природ-ных экосистемах, существование которых в значительной сте-пени зависит от их внутреннего разнообразия. В то же время значительное разнообразие сортов растений и пород живот-ных, используемых в упрощенных системах сельского хозяй-ства, при индустриальных способах его ведения в развитых странах теряется, замещаясь сравнительно малым числом вы-сокопродуктивных сортов и пород.

279

Существующие коллекции и хранилища пока что недоста-точны и не всегда содержатся в условиях, обеспечивающих со-хранность образцов.

Потеря вида с присущими только ему свойствами, пред-ставляющими результат эволюции многих поколений, – поте-ря не только для науки, но и для практики. Эта потеря тем бо-лее велика, что до сего времени неизвестно многое о возмож-ных полезных свойствах большинства дикорастущих расте-ний. Например, лишь недавно определили, что такое обычное растение, как чистотел большой, содержит вещество, которое может служить красителем для биологических объектов, пре-восходящим по своим свойствам все до сего времени извест-ные аналоги (эритрозин, примулин и др.), а из растения росян-ки было получено вещество из класса аминов, служащее сред-ством борьбы с вредными насекомыми.

В США проводятся поиски растений, пригодных для полу-чения веществ, близких по свойствам к нефти. Оказалось, что углеводороды, близкие к углеводородам нефти, содержат два вида молочая (Euphorlia lathyris и Е. tarucelli).

В Турции был найден дикорастущий вид пшеницы, гибри-дизацией с которым созданы сорта, устойчивые к четырем ви-дам ржавчины.

На Мадагаскаре обнаружили дикорастущий вид барвинка, препараты из которого обладают противоопухолевым действием.

Утрата генофонда, связанная прежде всего с исчезновени-ем биологических видов, ущербна для хозяйства, поскольку уменьшает в конечном счете потенциал его эффективности.

Известные области применения генетического материала (селекция, медицина, индикация состояния среды, некоторые области производственной сферы и др.) свидетельствуют о не-исчерпаемых возможностях этого ресурса.

Следует иметь в виду, что для каждого выявленного редко-го или исчезающего вида необходимо разрабатывать «свою» систему рационального использования и охраны. В первую очередь это относится к эндемичным видам (встречающимся только в определенном географическом районе).

Учитывая, что биологические и экологические особенно-сти значительного числа видов остаются пока не изученными, разумно придерживаться стратегии оптимального режима со-обществ, в которых данные виды обитают. При решении во-просов целесообразности сохранения того или иного компо-нента биоразнообразия и определении режима охраны следует исходить из ряда положений.

280

Во-первых, нужно определить, на каком уровне оценки БР (биосферном, зональном, биогеоценотическом, биоценотиче-ском, популяционном и т.д.) находится составляющая элемен-та разнообразия (конкретный биоценоз, конкретный вид и т.д.). Например, какой-то вид может быть редким или исчезающим в целом на земном шаре, другой – редок в северной тайге, но широко распространен в южной.

Во-вторых, надлежит оценить условия для размножения данного вида, популяции, генотипа.

В-третьих, должна быть определена селекционная и гене-тическая ценность вида, популяции, генотипа.

При сохранении БР экономические интересы постоянно вступают в противоречие с эстетическими и этическими нор-мами. Однако постепенно приходит понимание необходимо-сти сохранения тех компонентов БР, от которых зависит каче-ство среды обитания человека. Стало очевидным значение эталонов природы для восстановления биологических ресур-сов, пополнения генофонда и оценки (нормирования) антро-погенных воздействий.

Уместно отметить, что в мире идет последовательный про-цесс осмысления и осознания значения биоразнообразия как в настоящем, так и в будущем. И не только с биосферных пози-ций, но и в контексте его конкретных социально-экологических возможностей.

В 1960 г. только у одного ребенка из пяти больных лейке-мией был шанс выжить. В настоящее же время такой шанс имеют четверо из пяти. Это стало возможным благодаря лече-нию лекарственным препаратом, содержащим определенные активные вещества. Его получают из обнаруженного в тропи-ческих лесах Мадагаскара растения Rosy per Winkle.

Производительность аквакультуры (выращивание полез-ных водорослей, моллюсков, рыб и других организмов в вод-ных экосистемах) достигает 1–2 т рыбы с 1 га (в тропических морях). В умеренных широтах можно получить до 200 кг/га, в исключительных случаях – до 1 т/га таких продуктов.

Из огромного числа видов растений человек использует в практических целях лишь незначительную часть. Так, из 300 тыс. видов мировой флоры высших растений постоянно используется лишь около 2500, а периодически – около 20 тыс. видов. Среди хозяйственно ценных растений первое место по численности используемых видов и объему заготавливаемого сырья занимают лекарственные растения. Более 30 % ассор-

281

тимента лекарственных препаратов вырабатывается из расте-ний, свыше половины которых заготавливают в природных условиях.

Существенное место в использовании растительных ресур-сов занимают дубильные (бадан, скумпия, сумах, щавель), эфиромасличные (тмин, мята, чабрец, облепиха и др.), медо-носные, кормовые, плодово-ягодные, красильные растения. Однако громадные ресурсы полезных дикорастущих растений в нашей стране используются недостаточно рационально. Многие из них, такие, как толокнянка, кубышка желтая, щи-товник мужской, из года в год заготавливаются в одних и тех же районах, что приводит к сильному истощению популяций.

Потребление человеком ресурсов биосферы достигло при-мерно 40 % и продолжает увеличиваться. Необходимость ре-гулирования данного процесса в глобальном масштабе пред-ставляется очевидной. Регулированию подлежат две основные составляющие – эффективность использования ресурсов, в том числе биологических, и численность населения.

Основа стратегических действий в сохранении БР – вне-дрение методологии и методов оценки стоимости объектов живой природы, включение ее обобщенных показателей в ма-кроэкономические параметры страны, а также в систему внеш-неэкономических отношений.

Одним из главных направлений в национальной стратегии должно стать реформирование экономики использования био-логических ресурсов, предусматривающее систему платежей, оценку ущерба, компенсацию, лицензирование и т.д. Необхо-димо развитие системы экономического стимулирования и поддержки инвестиций в сохранении и использовании БР, по-вышение роли различных экологических фондов.

Имеется положительный опыт, свидетельствующий о высо-кой экономической результативности использования биологиче-ских ресурсов в сельском хозяйстве, здравоохранении, для повы-шения благосостояния людей и охраны окружающей среды.

Имеются весомые доказательства некоторых социально-экономических выгод от использования БР:

около 4,5 % валового национального продукта США (при- мерно 87 млрд дол. в год) получают за счет диких видов рас-тений и животных;

один ген эфиопского ячменя защищает от вируса желтой карликовости весь урожай калифорнийского ячменя стои-мостью 160 млн дол. в год;

282

родственное кукурузе древнее мексиканское дикое расте- ние при скрещивании с современными сортами кукурузы мо-жет сберечь фермерам мира до 4,4 млрд дол. в год;

стоимость лекарств, производимых в мире из дикорасту- щих растений и естественных продуктов, составляет около 40 млрд дол. в год;

в Азии к середине 70-х гг. прошлого века генетические улучшения привели к росту производства пшеницы на 2 млрд дол. США, а риса – на 1,5 млрд дол. в год; данные результаты были достигнуты благодаря созданию и исполь-зованию низкорослых сортов таких зерновых.

Разумеется, в настоящее время известны далеко не все свойства генетического кода и используется далеко не все мно-жество генетического разнообразия, а только его незначитель-ная часть.

В связи с этим реальная оценка ценности многих биологи-ческих ресурсов пока что преимущественно сводится к пони-манию необходимости их сохранения. Создание рациональной сети особо охраняемых природных территорий (ООПТ) – один из возможных способов решения данной важной задачи. По-скольку ООПТ присуща наиболее высокая степень антропо-генной неприкосновенности, создаются условия выживания и нормального воспроизводства в естественной среде биологи-ческих видов – носителей генотипа.

Правомерно утверждается, что количественное и каче-ственное развитие сети ООПТ должно осуществляться пере-ходом от охраны отдельных природных достопримечательно-стей (часто уникальных и репрезентативных участков на уров-не физико-географических провинций) к стабилизации про-странственной структуры ландшафта в целом и созданию экологически обоснованной сети ООПТ. Итогом должен стать «экологический каркас» – функционально единая система тер-риториальной охраны природы, состоящая из ключевых при-родных территорий (ядер или узлов каркаса). Они включают собственно ООПТ с буферными зонами и каналы экологиче-ской связи между ними, позволяют сохранить выявленное на сегодня многообразие.

Перспективы практического использования генетического материала обещают существенные выгоды и соответственно сдвиги в его использовании при условии разработки надежных методов, создания соответствующей техники и новейших тех-нологий. Разработке Международной конвенции о биологиче-

283

ском разнообразии постоянно сопутствовала полемика о необ-ходимости использования биотехнологий как разновидностей БР. Биотехнологии в итоге дискуссии были в конечном счете разграничены на биотехнологии сохранения и производства.

К биотехнологиям сохранения относятся все способы ста-билизации и восстановления БР в природе и искусственных условиях, включая организацию ООПТ, разведение в неволе, реинтродукцию, генобанки и т.д. Биотехнологии же производ-ства направлены на внедрение высокопродуктивных сортов сельскохозяйственных растений, производство инсулина и ро-стовых гормонов методами генной инженерии, использование биологических методов защиты растений и др.

При этом перспективы развития биотехнологий практиче-ски безграничны. Кроме того, даже небольшой процент отчис-лений от прибыли, которую дают современные биотехнологии производства, покрывает все затраты на биотехнологии сохра-нения. Например, в США прибыль от применения раститель-ных экстрактов в фармакологии составляет около 8 млрд дол. в год, от марикультуры (морской аквакультуры) – 5,6 млрд дол. Такого рода обстоятельства – объективная основа для заклю-чения системы международных соглашений в области сохра-нения и использования БР.

17.4. Âîçäåéñòâèå ÷åëîâåêà íà áèîëîãè÷åñêîå ðàçíîîáðàçèå

Утрата БР на Земле продолжается, главным образом, из-за разрушения среды обитания, фрагментации и преобразования естественных ландшафтов, чрезмерной эксплуатации сельско-хозяйственных и биологических ресурсов, загрязнения окру-жающей среды, привнесения интродуцированных видов расте-ний и животных и т.д. и угрожает серьезными последствиями. Необходимы целенаправленные конструктивные действия по сохранению генетического фонда, видов и экосистем.

Создав биотехносферу, – метаэкологическую систему, на-ложенную на биосферу, человек в определенной степени вы-шел из-под контроля природной среды. Наблюдается система-тическое сокращение БР, целенаправленное истребление так называемых «вредных» видов, нарушение местообитаний. На протяжении двух последних десятилетий видовое разноо-бразие растительного и животного мира сократилось пример-но на 1/5, что сопоставимо с массовыми вымираниями геоло-гического прошлого.

284

В какой мере, например, находятся под угрозой исчезнове-ния растения в европейских странах и США, можно судить по следующим данным. В Бельгии из 1300 видов полностью ис-чезло 59 и близки к исчезновению более 20; из флоры Фран-ции за последние 100 лет исчезло 20 видов. Стали редкими и исчезающими в Италии – 120, Польше – 134, Греции – 272, Великобритании – 300 видов. В США под угрозой исчезнове-ния находится 40 % состава флоры.

За тот же период сведение лесов и развитие опустынивания измеряются сотнями миллионов гектаров. Поскольку сельско-хозяйственные угодья и вторичные леса значительно уступают по биомассе продукции первичных лесов, произошло сокра-щение природной биомассы на сотни миллиардов тонн.

Деятельность человека становится все более значимым фактором биологического прогресса одних видов (культурные растения и животные, а также сорняки, вредители и т.д.) и ре-гресса других. Регресс может быть вызван прямым истребле-нием (орхидеи, кактусы, странствующий голубь, бизон и др.) и сокращением ареалов и численности особей при освоении но-вых территорий (многие хищные птицы, дрофа, белый жу-равль – стерх и др.).

Существенное воздействие на БР оказывает и побочное пользование лесом. Так, в результате нерегулируемой охоты в лесах возможно сокращение видового разнообразия и даже ис-чезновение отдельных популяций и видов, обеднение геноти-пического разнообразия.

Нерегламентированный сбор лекарственных растений при-водит к снижению их доли в составе фитоценозов, обеднению последних, а в особо кризисных ситуациях – к исчезновению их ценопопуляций и даже популяций.

Нерегулированная рекреация также оказывает отрицатель-ное воздействие на биологическое разнообразие. Например, из-за вытаптывания происходит исчезновение отдельных ви-дов в пределах биоценозов и даже ландшафтов. Фактор бес-покойства способствует исчезновению наиболее чувствитель-ных к нему млекопитающих и птиц.

Антропогенное влияние на животный и растительный мир проявляется на всех уровнях организации живой материи.

1. На молекулярно-генетическом уровне оно выражается в воздействии на структурно-функциональные системы клетки, генетические системы, биомембраны, белково-ферментные системы, сказывается на биотрансформации и биодеградации загрязняющих веществ.

285

2. На онтогенетическом уровне оно проявляется в измене-ниях эмбриогенеза, нарушениях процессов роста и размноже-ния, заболеваниях и т.д.

3. На популяционно-видовом уровне влияние обнаружива-ется в изменении структуры, сокращении численности или полном исчезновении отдельных популяций видов или целых видов в результате разрушения местообитаний, чрезмерного промысла, влияния интродуцированных видов, случайного или преднамеренного уничтожения.

4. На биогеоценотическом и биосферном уровнях воздей-ствие проявляется в изменении структуры биогеоценозов, на-рушении межвидовых отношений, пищевых связей, баланса между видами, изменении первичной продуктивности, полном уничтожении биогеоценозов.

Анализ состояния диких видов животных показывает, что основными факторами трансформации их местообитаний яв-ляются обезлесивание территорий и распашка лугово-степных сообществ. Деградация представителей животного мира в этих условиях определяется сокращением площади коренных ста-ций, используемых фоновыми видами как места гнездования, отела, зимовок. В результате в таких районах произошло сни-жение численности ранее доминировавших промысловых зве-рей и птиц, амфибий и рептилий, насекомых-опылителей, многих беспозвоночных. Изменения рельефа могут приводить к смене путей миграции диких животных, зачастую нарушая их, влияют на наличие и качество укрытий, ведут к полной утрате ряда интразональных и локальных природных комплек-сов, которые необходимы для существования зооценозов. В первую очередь это относится к водным и околоводным эко-системам, переувлажненным участкам лесов. Распашка и за-топление пойм крупных рек оказались губительными для по-давляющего числа видов околоводных животных и обитателей пойменных лугов. В европейских лесах вследствие интенсив-ных рубок и мелиорации изменилось соотношение лесов и от-крытых пространств, а в итоге значительно сократилось раз-нообразие лесных воробьиных птиц, летучих мышей и других мелких млекопитающих.

Уменьшение видового и генетического разнообразия при ведении сельского и лесного хозяйства, о чем свидетельствует распространение на больших площадях зерновых и лесных насаждений сравнительно ограниченного набора специализи-рованных высокоурожайных сортов и пород, с позиций долго-

286

временной стратегии приносит лишь кратковременную выго-ду. Привязка к узкому сортовому ассортименту в будущем мо-жет привести к непредвиденным негативным ситуациям, на-пример изменится климат, уменьшатся субсидии, необходимые для поддержания именно культивируемых сортов, появятся новые болезни и вредители, к которым используемые сорта окажутся восприимчивы, и т.д. Такого рода обстоятельства, разумеется, необходимо иметь в виду.

Помимо обычных факторов антропогенной дигрессии видо-вых популяций имеют место специфические изменения. К ним, например, относится нарушение генетической целостности по-пуляций из-за «заноса» в них разнообразных культурных форм и последующей гибридизации их с природными формами. От-сюда – актуальность сохранения и воспроизводства при родного генетического разнообразия, объективная потребность исследо-ваний и диагностики генетической структуры популяций.

Основа охраны БР, особенно генетического, – сохранение в первозданном виде естественной среды обитания.

Хорошо налаженное функционирование системы ООПТ позволяет достаточно целенаправленно решать задачи сохра-нения, восстановления и обогащения разнообразия с учетом его особенностей (фенотипов и генотипов, распространения, состояния и т.д.).

Абсолютной охране в первую очередь подлежат виды, вне-сенные в Международную Красную книгу и Красную книгу Республики Беларусь.

Важно иметь в виду, что для эффективного функциониро-вания системы ООПТ в сохранении БР необходимо инте-гральное их размещение, т.е. должна формироваться общая экологическая инфраструктура региона, где охраняемые тер-ритории являются регуляторным, стабилизирующим факто-ром в общей структуре эко-, агро- и урбосистем. Примером реализации такого подхода может служить Европейская эко-логическая сеть (ECONET), предложенная как каркас для со-хранения имеющих европейскую значимость экосистем, ме-стообитаний и отдельных видов. При этом в составе выделя-ют три типа территорий, представляющих собой: ядра карка-сов, роль которых выполняют заповедники или строго охраняемые резерваты; коридоры, представляющие собой не-прерывные линейные структуры либо дискретные ареалы, служащие для перехода и миграций видов между ареалов ядер каркаса; буферные зоны, назначение которых – компенсиро-вать деструктивные внешние воздействия.

287

Ãëàâà 18

ÀÍÒÐÎÏÎÃÅÍÍÛÅ ÈÇÌÅÍÅÍÈß ÊËÈÌÀÒÀ È ÈÕ ÂËÈßÍÈÅ ÍÀ ÑÅËÜÑÊÎÕÎÇßÉÑÒÂÅÍÍÎÅ ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÎ

18.1. Çíà÷åíèå êëèìàòà â õîçÿéñòâåííîéäåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà

Жизнь и все виды хозяйственной деятельности людей про-ходят в конкретных климатических условиях. К числу основ-ных природных факторов относятся климатические ресурсы. Совокупность количественных значений климатических эле-ментов, таких, как солнечная радиация, температура, осадки, испаряемость и др., конкретной территории, используемых че-ловеком в различных отраслях экономики, называется клима-тическими ресурсами. К непрерывно возобновляемым клима-тическим ресурсам относятся: свет, солнечная радиация, теп-ло; к периодически возобновляемым – влага, ветер, облачность и др. Те элементы климата, которые используются непосред-ственно в процессе сельскохозяйственного производства (фо-тосинтетически активная радиация (ФАР), тепло, влага и др.), являются агроклиматическими ресурсами. Это совокупность агроклиматических условий, осредненных за многолетний пе-риод наблюдений, которые определяют величину получаемой сельскохозяйственной продукции на конкретной территории. Климатические условия в их взаимодействии с процессами и объектами сельскохозяйственного пpoизводства изучает наука агроклиматология.

Климат определяет географическое распространение и успешность возделывания сельскохозяйственных культур, условия выпаса и содержания сельскохозяйственных живот-ных. В 1897 г. известный русский ученый К.А. Тимирязев от-метил, что климатические данные представляют интерес для сельского хозяйства лишь тогда, когда наряду с ними известна потребность растений в факторах климата. Для выявления ве-личины этих потребностей необходимо установление количе-ственных выражений связи развития, роста и формирования продуктивности растений с факторами климата. Количествен-но выраженные связи между факторами климата, с одной сто-

288

роны, и ростом, развитием, зимостойкостью и формированием урожайности, с другой стороны, называют агроклиматически-ми показателями. Используя их, можно устанавливать степень благоприятности климата различных территорий примени-тельно к возделыванию различных сельскохозяйственных культур и содержанию животных. При сельскохозяйственной оценке климата обязательно используют данные о повторяе-мости опасных для сельскохозяйственного производства метео-рологических явлений теплого и холодного периодов года. К ним относятся заморозки, засухи, суховеи, сильные ветры, пыльные бури, эрозия почвы, град, различные виды неблаго-приятных условий перезимовки озимых культур и сельскохо-зяйственных животных. Их описание, повторяемость и методы количественной оценки изложены в учебных программах по курсам агрометеорологии и агроклиматологии.

В качестве агроклиматических показателей потребности растений в тепле за период вегетации (или за различные меж-фазные периоды) используют суммы положительных, актив-ных или эффективных температур. Сущность этих показате-лей также рассматривается в программе курса агрометеороло-гии и агроклиматологии. Все виды сумм температур, характе-ризующие потребность растений в тепле, легко сопоставлять с термическими (тепловыми) ресурсами территории. Такое со-поставление позволяет выявить степень теплообеспеченности сельскохозяйственных культур, выращиваемых на изучаемой территории (в процентах). Возделывание культуры считается рентабельным, если она обеспечена теплом не менее чем на 80 %, т.е. в течение 8 лет из 10. При оценке термических усло-вий территории учитываются также такие показатели, как средняя температура самого теплого месяца, продолжитель-ность безморозного периода, сроки наступления поздних ве-сенних и ранних осенних заморозков, их повторяемость.

Для оценки условий увлажнения территории обычно ис-пользуют среднюю многолетнюю сумму осадков и распреде-ление их выпадения по месяцам или по избранным периодам, например в теплый и холодный периоды года. Однако среднее многолетнее количество осадков не полностью характеризует условия влагообеспеченности растений, поскольку часть осад-ков непроизводительно расходуется на поверхностный сток, испарение с поверхности почвы и фильтрацию в более глубо-кие горизонты почвы. Лишь часть поступающей атмосферной влаги расходуется растениями на транспирацию в процессе

289

образования биомассы. Поэтому более корректную оценку влагообеспеченности растений получают при использовании косвенных показателей. К их числу относятся различные по-казатели (коэффициенты) увлажнения, представляющие обыч-но отношения прихода влаги (осадки) к ее максимально воз-можному расходу (испаряемости).

Оценить степень влагообеспеченности сельскохозяйствен-ных культур можно также по величине запасов продуктивной влаги в корнеобитаемых горизонтах почвы. В данном случае обязательно учитывается вероятность распределения запасов продуктивной влаги в течение вегетационного периода. Весь-ма объективным критерием оценки влагообеспеченности рас-тений является сравнение фактических запасов влаги с наи-меньшей влагоемкостью почвы, т.е. тем наибольшим количе-ством влаги, которую может удерживать почва после стекания излишков влаги под действием силы тяжести в более глубо-кие горизонты.

В отдельные годы условия увлажнения географических зон осадками значительно отличаются от средних многолет-них (вычисленных) значений. Поэтому необходимо распола-гать данными о вероятности различного увлажнения по го-дам. Обычно величину такой вероятности рассчитывают по гидротермическому коэффициенту (ГТК) Селянинова. На-помним, что ГТК – относительный (безразмерный) показа-тель увлажненности территории. Его рассчитывают по дан-ным стандартных метеорологических наблюдений сети стан-ций и выражают отношением суммы осадков R в миллиме-трах за период со средней суточной температурой воздуха выше 10 °С к сумме средних суточных температур Σ Т за этот же период, уменьшенной в 10 раз (что весьма близко харак-теризует испаряемость):

ГТК = R/0,1 Σ T.

Для озимых культур степень благоприятности зимнего пе-риода оценивают по нескольким показателям. К ним относят-ся: минимальные температуры воздуха и почвы на глубине за-легания узла кущения злаков и корневой шейки бобовых, сум-ма отрицательных температур воздуха за зимний период, мак-симальная глубина промерзания почвы, высота снежного покрова, наличие ледяных корок и прослоек в снеге, продол-жительность периода со снежным покровом и т.п.

290

При оценке степени благоприятности зимнего периода для озимых посевов и плодовых культур непременно следует оце-нивать повторяемость (или вероятность) опасных для расте-ний зимних условий. При сопоставлении значений различных показателей зимнего периода с критическими температурами для зимующих растений, а также с потребностью сельскохо-зяйственных и плодовых культур в тепле и влаге, определяют степень благоприятности агроклиматических ресурсов для сельскохозяйственного производства конкретных территорий.

18.2. Åñòåñòâåííàÿ êëèìàòè÷åñêàÿ èçìåí÷èâîñòü

На протяжении геологической истории Земли (по оценке ученых – около 4,65 млрд лет) в результате активной тектони-ческой и вулканической деятельности многократно менялись ее природные условия: площади океанов и суши, очертания материков, высота и площади горных систем, состав атмосфе-ры, при этом существенно менялся и климат.

По современным представлениям, на различные геологиче-ские периоды истории нашей планеты огромное влияние ока-зывали астрономические изменения, такие, как наклон оси вращения Земли к плоскости эклиптики, колебания земной ор-биты, изменения светимости (интенсивности радиации) Солн-ца и др. Достоверные материалы об этих изменениях были по-лучены в результате исследований ученых в области палеогео-графии, палеогеологии, палеоклимата, палеонтологии, палео-ботаники и т.п. Первая часть сложных слов «палео» происходит от греч. palaios – древний. Данные о климате отдаленных эпох (сотни миллионов лет) ученые смоделировали на основании палеогеографических исследований с использованием зависи-мостей жизнедеятельности растений и животных от метеоро-логических и гидрологических условий тех эпох, изменений в поверхности суши и т.п. Существенным дополнением к палео-географическим данным при изучении климатических усло-вий прошедших эпох явились материалы, полученные в ре-зультате массовых анализов изотопного состава органических остатков минувших тысячелетий.

Сведения о климатических условиях для периода, охваты-вающего несколько прошедших тысячелетий, были получены из обобщения разрозненных материалов неинструментальных наблюдений, нашедших отражение в различных исторических письменных источниках.

291

Наиболее надежными данными о климатическом режиме отдельных регионов и планеты в целом человечество стало располагать с началом массовых метеорологических инстру-ментальных наблюдений, насчитывающих немногим более 150 лет. Хотя отдельные инструментальные наблюдения нача-ли производить около 200 лет назад.

Исследования климата прошлых эпох показали, что на про-тяжении нескольких миллионов лет климатические условия значительно отличались от современных. Существующие в настоящее время большие контрасты температур на экваторе и полюсах Земли сформировались около 70 млн лет назад, в на-чале третичного периода.

Процесс шел довольно медленно, и к началу четвертичного периода (около 1 млн лет назад) разность температур в высо-ких и низких широтах была гораздо меньше существующей в настоящее время.

В четвертичном периоде температура на полюсах снизи-лась, в результате чего произошло оледенение полярных обла-стей планеты. Масштабы оледенения менялись несколько раз; в периоды максимального снижения температуры оледенение достигало в северном полушарии умеренных широт (в совре-менном понимании), затем льды отступали в высокие широты, оставляя на своем пути следы разрушения древних ландшаф-тов, изменяя поверхность Земли.

Последнее наступление ледников на территории Евразии закончилось oколо 10 тыс. лет назад, после чего постоянный ледяной покров в северном полушарии сохранился только в Северном Ледовитом океане и на островах в высоких широтах.

В последние 10 тыс. лет термические условия в высоких и умеренных широтах продолжали изменяться в связи со значи-тельными колебаниями площади ледяного полярного покрова.

В последние полтора столетия, xapaктеризующиеся инстру-ментальными наблюдениями за метеорологическими условия-ми, колебания климата продолжались. В первой половине XX в. было отмечено потепление, наиболее заметное в 20–30-е гг. В 40-х гг. потепление сменилось похолоданием, затем снова произошло потепление, особенно заметное в умеренных и высоких широтах северного полушария.

Естественная климатическая изменчивость связана с внеш-ними и внутренними факторами.

К внешним естественным факторам, влияющим на изме-нение климата планеты, относятся те, которые связаны с про-

292

цессами теплообмена в системе океан – атмосфера. Это – вул-каническая деятельность и изменения метеорологической сол-нечной постоянной. Последняя соответствует значению пря-мой солнечной радиации на верхней границе атмосферы при среднем расстоянии между Землей и Солнцем. Международ-ная комиссия по радиации в 1982 г. определила значение сол-нечной постоянной, равной 1,367 кВт/м2. Вариации данной величины составляют от ± 0,1 до 0,4 %.

При крупных вулканических извержениях в атмосферу вы-брасывается большое количество газообразного диоксида серы, который, попадая в стратосферу, превращается в серно-кислый аэрозоль. Время жизни аэрозольных частиц в страто-сфере составляет около 1 года, что вполне достаточно для су-щественного воздействия на радиационный баланс Земли. За последние 100 лет было отмечено 5 крупных вулканических извержений, последствием каждого из них стало снижение средней глобальной температуры воздуха в течение 1–2 лет на несколько десятых градуса Цельсия.

К внутренним факторам, вызывающим климатические из-менения, относятся в первую очередь динамичные особенно-сти взаимодействия атмосферы и океана, влияние которых мо-жет иметь последействие на 10–100 лет. Одна из форм есте-ственного изменения климата – теплое океаническое течение, получившее название Эль-Ниньо – южное колебание, центр которого находится в экваториальной части Тихого океана. Не-регулярно, примерно каждые 3–7 лет, аномально теплые воды этого течения распространяются из экваториальных районов Тихого океана, удаляясь от западного побережья Южной Аме-рики. Продолжительность данного явления обычно 1–2 года.

В результате изменения температуры обширных поверх-ностей океана происходит изменение атмосферной и океа-нической циркуляции во многих регионах земного шара. При этом в одних регионах возникают жестокие засухи, с характерными для них тяжелыми последствиями: гибель по-севов и естественной растительности, используемой при вы-пасе скотом. В других регионах, наоборот, наблюдаются длительные обильные осадки, следствием которых стано-вятся наводнения, активизация процессов водной эрозии, гибель посевов сельскохозяйственных культур, смыв плодо-родных слоев почвы и т.п.

293

18.3. Âëèÿíèå õîçÿéñòâåííîé äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêàíà èçìåíåíèÿ êëèìàòà

В течение многих тысячелетий хозяйственная деятельность людей приспосабливалась к естественным климатическим условиям. Когда население земного шара было относительно небольшим, а уровень энергетической и технической воору-женности людей – низким, влияние всей хозяйственной дея-тельности на окружающую природу было незначительным. Однако объемы изъятия природных ресурсов для нужд бы-строрастущего населения Земли неуклонно возрастают. В ре-зультате научно-технического прогресса, создания мощных технологий и стремительного роста промышленного произ-водства в XX в. гигантские масштабы антропогенного загряз-нения земель, водных объектов и воздуха достигли глобальных размеров. Еще в 1944 г. академик В.И. Вернадский писал, что человечество, взятое в целом, становится мощной геологиче-ской силой. Воздействие техники, созданной человеческим разумом, стало соизмеримым с разрушительными силами при-роды. Все это ведет к нарушению процессов саморегулирова-ния и равновесия, свойственных природе.

В «Повестке дня на XXI век», принятой в 1992 г. Конферен-цией ООН по окружающей среде и развитию, отмечалось, что повсеместный и неупорядоченный рост масштабов использо-вания природных ресурсов реально угрожает возникновению их дефицита во многих странах мира; для содействия устойчи-вому развитию необходимы более обширные знания о потен-циальной емкости экосистемы Земли.

Суммарное антропогенное воздействие обусловлено раз-личными формами хозяйственной деятельности, например следующими:

распахивание миллионов гектаров земли под посевы сельскохозяйственных культур и улучшение естественных пастбищ вызывает изменение альбедо земной поверхности, быструю потерю влаги, подъем пыли в атмосферу;

уничтожение лесов, называемых «легкими планеты», особен- но тропических, на больших площадях сокращает воспроизводство кислорода, изменяет альбедо, усиливает испарение с «оголенной» поверхности земли, ухудшает водный режим территории;

чрезмерная численность выпасаемого поголовья скота на единице пастбищной площади (перевыпас) превращает степи и саванны в пустыни; при этом происходит резкое снижение

294

численности и разнообразия биологических видов экосистем, ухудшаются водно-физические свойства почвы, развиваются процессы водной и ветровой эрозии, увеличивается альбедо;

возрастание объемов сжигаемого ископаемого органиче- ского топлива (уголь, нефть, газ) усиливает загрязнение атмо-сферы его продуктами;

значительный рост объемов промышленных и автотран- спортных отходов, выбрасываемых в атмосферу, приводит к изменению состава атмосферы, увеличению содержания в ней радиационно-активных газов и аэрозолей, создающих так на-зываемый парниковый эффект, загрязняет водные объекты, гу-бительно сказывается на состоянии растительных, животных организмов и здоровье человека.

Парниковый эффект – это свойство атмосферы пропускать солнечную радиацию, но задерживать земное излучение и тем самым способствовать аккумуляции землей тепла. Земная ат-мосфера сравнительно хорошо пропускает коротковолновую солнечную радиацию, которая почти полностью поглощается земной поверхностью, поскольку ее альбедо мало. Нагреваясь за счет поглощения солнечной радиации, земная поверхность становится источником земного, в основном длинноволнового теплового излучения; прозрачность атмосферы для этих волн мала, и они почти полностью поглощаются в атмосфере, преи-мущественно водяным паром. Только около 10–20 % земного излучения, проникая сквозь атмосферу, уходит в космическое пространство. Таким образом, парниковый, или тепличный, эффект атмосферы аналогичен действию стекол теплицы при их нагревании солнечными лучами.

Накопление в атмосфере углекислого газа, метана, фторхлор-углеродов, оксида азота (II), тропосферного озона, других газов и аэрозолей, пропускающих коротковолновые солнечные лучи, препятствует, подобно покрытиям теплицы, длинноволновому излучению, в результате происходит постепенное потепление климата.

В последние годы учеными разработано большое количе-ство моделей изменения климата – от самых простых до слож-ных. Практически все они прогнозируют постепенный рост средней глобальной температуры в основном благодаря увели-чению концентрации газов, связанных с хозяйственной дея-тельностью человека. Оценки уровня повышения температуры воздуха, полученные по расчетам разных моделей на различ-ную временную перспективу, варьируют от 1,5 до 5,5 °С. Та-кое потепление, безусловно, будет влиять на ускорение таяния

295

ледников планеты. Расчеты показывают, что в данных услови-ях уровень Мирового океана может повыситься на 25–165 см, вследствие чего произойдет частичное затопление многих прибрежных регионов материков (части Северной Европы, Индостана, островных государств и др.).

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 холодным и влажным клима-том произойдет смягчение агроклиматических условий для возделывания сельскохозяйственных и плодовых культур, про-дуктивность которых станет более высокой и стабильной бла-годаря увеличению продолжительности вегетационного пери-ода и росту сумм активных температур в условиях достаточ-ной влагообеспеченности посевов. Такое изменение агрокли-матических условий позволит значительно продвинуть к северу интенсивные технологии земледелия, произвести сме-ну сортов сельскохозяйственных культур на более теплолюби-вые и урожайные. Произойдет изменение и смещение границ почвенно-климатических (географических) зон к северу.

Наряду с такими положительными изменениями в цен-тральных и северных сельскохозяйственных регионах России, в более южных регионах, с режимом неустойчивого увлажне-ния, в результате потепления произойдут отрицательные изме-нения климатических условий.

Уменьшение количества осадков будет проявляться через снижение влагообеспеченности посевов, учащение повторяе-мости засух, засушливых явлений и суховеев, произойдет по-нижение уровня внутренних водоемов и грунтовых вод, ухуд-шится общий баланс пресной воды. Все это будет отрицатель-но сказываться на продуктивности не только сельскохозяй-ственного производства, но и других отраслей экономики. Например, изменятся гидрологические условия на реках и во-дохранилищах, от которых зависит возможность и продолжи-тельность речной навигации, работа гидроэлектростанций и т.п. Кроме того, в связи с ростом уровня теплообеспеченно-сти растений в центральных и южных регионах станет воз-можным возделывание теплолюбивых сельскохозяйственных культур в условиях искусственного орошения. В последние 10–15 лет появилось много исследований российских и зару-бежных ученых, доказывающих, что социальные последствия потепления климата будут значительны и не однозначны для различных регионов мира и государств.

296

18.4. Ñöåíàðèè âîçìîæíîãî èçìåíåíèÿ êëèìàòà

Проблема изменения глобального климата настолько слож-на и значима для человеческого сообщества, что ее исследова-нием занимаются крупные научные коллективы во многих странах, международные организации и специально создан-ные творческие группы. Так, в 1988 г. Всемирной метеороло-гической организацией (ВМО) и Программой ООН по окру-жающей среде (ЮНЕП) была учреждена Межправительствен-ная группа экспертов по изменениям климата (МГЭИК). Уче-ными мира разработаны десятки различных сценариев возможных изменений климата Земли под влиянием антропо-генных факторов – возрастающей хозяйственной деятельности человека, а также военных конфликтов различного масштаба. Как уже отмечалось, климат геологических эпох Земли неод-нократно менялся под влиянием естественных природных причин. При изучении палеоклиматов прошлых эпох россий-ские ученые показали возможность формирования на Земле в обозримом будущем климатических условий, аналогичных климату некоторых прошедших эпох. В основу этой гипотезы положены оценки газового состояния атмосферы отдельных геологических эпох и ожидаемых изменений концентрации СО2, метана и других газов в ближайшие 100 лет. Сценарии такого подхода стали называть палеоклиматическими.

В основе большинства других сценариев теории климата лежат расчеты, выполненные по математическим моделям, учитывающие различные допуски временных изменений коли-чества выбросов в атмосферу СО2, метана, инертных газов, фреона и др., изменения содержания в тропосфере метана и других парниковых газов. Общим для данных сценариев эво-люции будущего климата является его потепление, однако уровни потепления и изменения количества осадков различны.

Наиболее достоверно изменения климата оценивают по данным массовой сети инструментальных метеорологических наблюдений. В результате научного обобщения данных за по-следние 150 лет учеными было установлено реальное потепле-ние среднего глобального климата; в течение XX в. средняя глобальная температура поверхности Земли увеличилась на 0,6 ± 0,2 °С. Такое повышение температуры в XX в. оказалось наибольшим за последнее тысячелетие. В период с 1950 по 1993 г. ночные минимальные температуры воздуха над сушей за десятилетие повышались на 0,2 °С, а дневные максималь-

297

ные температуры – на 0,1 °С. Это привело к увеличению про-должительности безморозного периода. По данным снимков, полученных с помощью спутников, с конца 1960-х гг. площадь снежного покрова Земли уменьшилась на 10 %, наблюдалось сокращение площади горных ледников в неполярных районах.

В течение XX в. средний уровень Мирового океана повы-сился на 10–20 см в результате теплового расширения воды и таяния материкового льда. В XX в. количество атмосферных осадков возрастало за десятилетие в среднем на 0,5–1 %, в основном в высоких и средних широтах северного полуша-рия. Повторяемость сильных засух или периодов переувлаж-нения варьировало по десятилетиям, но в отдельных районах Азии и Африки повторяемость и интенсивность засух замет-но возросли. В северном полушарии уменьшилась повторяе-мость экстремально низких температур и несколько увеличи-лась повторяемость экстремально высоких. В то же время в некоторых районах южного полушария и в Антарктиде поте-пление климата не отмечено.

Климатические изменения ученые связывают с антропоген-ным изменением концентрации парниковых газов. Концентра-ция СО2 в атмосфере с 1750 по 2000 г. увеличилась на 31 %. Та-кого высокого уровня она не достигала за последние 420 тыс. лет. За последние 20 лет около 3/4 поступления в атмосферу ан-тропогенного СО2 ученые связывают со сжиганием огромного количества органического топлива (нефти, газа, угля), осталь-ная часть приходится на изменения в системах землепользова-ния, сокращение площади лесов. Только в 90-х гг. XX в. концен-трация СО2 увеличивалась на 0,2–0,8 % в год. Концентрация метана СН4 в атмосфере, начиная с 1750 г. увеличилась к насто-ящему времени на 151 % и продолжает возрастать.

Основными источниками увеличения концентрации метана в атмосфере являются: сжигание органического топлива и му-сора, увеличение отходов животноводческих хозяйств и др. За последние десятилетия в атмосфере значительно возрастает концентрация оксида азота (II), что связано с сельскохозяй-ственной обработкой почвы и развитием химической промыш-ленности, а также поступлением ряда так называемых малых примесей газов (хлористых, серных и др.). Все эти и другие газы, непрерывно поступающие в атмосферу, образуют антро-погенный аэрозоль, который изменяет радиационные условия. Начиная с 1750 г. приток солнечной радиации увеличился при-мерно на 0,3 Вт/м2, причем большая часть этих изменений произошла в первой половине XX в.

298

Как отмечалось ранее, сценарии изменения климата разра-батываются на основе математических моделей, учитывающих основные физические законы природы. Наиболее сложные – глобальные климатические модели – включают в себя в каче-стве основных компонентов взаимодействующие друг с дру-гом модели атмосферы, океана, верхних слоев суши, крио- и биосферы. Расчеты по таким моделям производят с помощью мощной современной вычислительной техники в узлах регу-лярной (координатной) сетки или по различным регионам в заданном масштабе. В глобальном или субконтинентальном масштабе такие модели позволяют удовлетворительно воспро-изводить наблюдаемые средние годовые значения и сезонный ход основных гидрометеорологических величин.

В последние годы ученым удалось реалистично воспроиз-вести некоторые состояния климатической системы за послед-ние 20 тыс. лет, в том числе и явление Эль-Ниньо – южное ко-лебание. Однако для расчетов по регионам и областям требует-ся привлечение значительного количества дополнительных па-раметров и продолжительных однородных рядов наблюдений.

Таким образом, сельскохозяйственная деятельность в XXI в. будет проходить в условиях достаточно быстрого из-менения природной среды и климата. Это, в свою очередь, по-требует разработки новых подходов и методов агроклиматиче-ского районирования и расчета показателей тепло- и влаго-обеспеченности сельскохозяйственных культур и общего био-логического потенциала.

18.5. Èçìåíåíèÿ êëèìàòà è èõ ïîñëåäñòâèÿ â Áåëàðóñè

Текущие изменения климата. За период инструменталь-ных наблюдений в Беларуси (1881–2002) зарегистрирован рост среднегодовой температуры почти на 1 °С. Положитель-ная флюктуация температуры с 1988 по 2010 г. была самой мощной за всю историю инструментальных наблюдений. Особенно сильный рост температуры (на несколько градусов) отмечался в январе – апреле. Почти в 2 раза возросла средняя повторяемость максимальных температур.

Уменьшилась амплитуда суточного и годового хода темпе-ратуры, а также континентальность климата Беларуси.

Генеральной особенностью изменения осадков явилось снижение их количества во второй половине XX в. по сравне-нию с его первой половиной, особенно в южной и централь-

299

ной частях Беларуси. В период с 1950 по 2010 г. оно составило 60–80 мм (около 10–15 %). Расширились территории, где сред-негодовое количество осадков стало меньше 600 мм.

Произошли существенные изменения осадков внутри года и за отдельные годы. Это особенно заметно в августе, когда месячные значения осадков уменьшились на 1/5 часть. Стали наблюдаться большие недоборы осадков в апреле – мае.

Увеличилось число погодных и климатических экстремаль-ных явлений. Число случаев засушливости на юге Беларуси во второй половине лета возросло за последние 50 лет почти в 2 раза. Особенно сильная засушливость отмечалась в 1989–2010 гг. В этот период на значительной площади страны часто наблюдались засушливые условия в течение двух и более ме-сяцев вегетационного периода.

Прогнозируемые изменения климата. Изменения клима-та Беларуси происходят на фоне его глобальных изменений, связанных с естественными и антропогенными факторами. К настоящему времени под эгидой ВМО и ЮНЕП разработа-но несколько возможных сценариев таких изменений. Все они указывают на глобальное потепление климата в текущем сто-летии и различаются между собой только величиной ожидае-мого роста температуры (0,1–0,2 °С за десятилетие).

Подобные темпы явятся самыми высокими за последние 10 тыс. лет. Исходя из средних оценок, средняя глобальная температура повысится по сравнению с современным состоя-нием примерно на 1 °С к 2025 г. и на 3 °С к концу столетия.

На фоне общего потепления резко возрастут внутригодо-вые (межсезонные) и межгодовые колебания температуры и осадков. Для северного полушария наиболее вероятные вели-чины потепления к концу столетия составят 3,0–5,0 °С, что не-сколько превышает значения показателей глобального поте-пления. Континентальные поверхности будут нагреваться бы-стрее, нежели океанические, а температура высоких широт повысится существенно больше, чем низких.

Основной механизм, ответственный за долгопериодные климатические аномалии, определяется взаимодействием си-стемы океан – атмосфера. В этой системе возникают автоколе-бания. Последние могут модулироваться внешними периоди-ческими или квазипериодическими источниками, такими, на-пример, как солнечная активность, вулканическая деятель-ность и др.

300

В последние годы одним из основных предикторов прини-мается антропогенная деятельность, которая приводит к изме-нению газового и аэрозольного состава атмосферы, а также свойств подстилающей поверхности. Она ответственна в пер-вую очередь за формирование трендовых составляющих в из-менении климата.

При выборе методов прогнозирования изменения климата Беларуси проводилось сравнение результатов, полученных с использованием различных моделей, с экспериментальными данными за период 1961–1990 гг. (базовый период). Выпол-ненное сравнение показало, что наиболее адекватными базо-вому периоду оказались данные, полученные на модели Had-CM2 (Великобритания).

Сценарные оценки изменения величины осадков и темпе-ратуры воздуха для территории Беларуси, полученные с при-менением указанной модели на период середины XXI столе-тия, приведены в табл. 18.1.

Таблица 18.1. Сценарий возможного изменения средних годовых показателей климата Беларуси в ХХI в., согласно модели HadCM2

(В.Ф. Логинов, 2004).

ПараметрВоз-дей-ствие

Временной срез

2010–2039 гг. 2040–2069 гг.

Средняя температура воздуха, °С ПГ 1,37 2,28ПС 0,99 1,84

Максимальная температуравоздуха, °С

ПГ 1,31 2,17ПС 0,90 1,75

Осадки, мм/мес. ПГ 1,5 2,7ПС 1,5 2,1

Минимальная температура воз-духа, °С

ПГ 1,52 2,51ПС 1,13 2,03

Пр им е ч а н и е. ПГ – воздействие только парниковых газов; ПС – со-вместное воздействие парниковых газов и сульфатных аэрозолей.

Из таблицы следует, что средняя годовая температура уве-личится при наиболее реальном сценарии изменения парнико-вых газов и содержания аэрозолей в атмосфере приблизитель-но на 1 и 2 °С соответственно для временных срезов 2010–2039 гг. и 2040–2069 гг. Величина роста минимальных темпе-ратур (ночных и зимних) будет на 20–30 % выше.

301

В настоящее время количество осадков растет только на се-вере и уменьшается на юге Беларуси. Не исключено, что такие пространственные особенности изменения осадков сохранят-ся и в будущем, хотя в целом по республике годовое количе-ство осадков может повыситься на 1–2 мм/мес. Продолжитель-ность вегетационного периода в 2010–2039 гг. увеличится до-полнительно на 2 недели.

Влияние климата на урожайность сельскохозяйствен-ных культур. Наибольшие потери от неблагоприятных погод-ных и климатических условий несет сельское хозяйство – око-ло 70 % от общих потерь.

Рассчитанные статистические характеристики общей клима-тической и технологической изменчивости урожайности зерно-вых культур показывают, что в целом для территории Беларуси вклад климата в общую дисперсию урожайности составляет для озимых 22–38 %, для яровых – 35–81 %. За последние два деся-тилетия отмечается увеличение климатической изменчивости урожайности озимой ржи по всем областям.

У ярового ячменя подобной тенденции не отмечено. Учи-тывая, что развитие ярового ячменя и озимой ржи в вегета-ционный период происходит при одинаковых погодных усло-виях, можно сделать вывод, что увеличение климатической изменчивости урожайности озимой ржи за последние два де-сятилетия, по всей вероятности, вызвано изменением клима-тических условий зимнего периода (теплые зимы, ранние весны и др.).

Потери урожайности от погодных условий в отдельные годы в различных областях Беларуси по отношению к средней урожайности могут достигать 45–50 % для ярового ячменя и 35–40 % для озимой ржи. Анализ динамики урожайности зер-новых культур за последние 30 лет показывает, что произо-шедшее в конце 1970-х гг. ухудшение климатических условий привело к снижению урожайности, несмотря на улучшение в тот период агротехники. Климатические условия с 1984 до 1990 г. на фоне высокой агротехники способствовали росту урожайности, и, наконец, с начала 1990-х гг. отмечается вто-ричное падение урожайности, вызванное как ухудшением кли-матических условий, так и снижением уровня агротехники.

В последние десятилетия установлено увеличение числа экстремальных климатических явлений (засух, заморозков, на-воднений, теплых зим). Зависимость сельского хозяйства от климата, если судить по абсолютным потерям, за это время возросла.

302

Повторяемость засух увеличивается с севера на юг. В Го-мельской области повторяемость засух с площадью охвата территории не менее 30 % составляет 44 %, т.е. 1 раз в 2 года, в Брестской – 1 раз в 2–3 года. С повышением культуры земле-делия, внедрением сортов интенсивного типа, урожайность сельскохозяйственных культур в целом повышается, но и коле-бания ее по годам увеличиваются.

Анализ изменения урожайности основных зерновых куль-тур (озимой ржи и ярового ячменя) для территории Беларуси в зависимости от неблагоприятных погодных условий приведен в табл. 18.2.

Таблица 18.2. Частота проявления неблагоприятных погодных условий для основных зерновых культур и потери урожайности от них на

территории Беларуси в 1972–1995 гг. (В.Ф. Логинов, 2004)

Тип неблагоприятных погодных условий

Количество лет с неблагопри-

ятными условиями

Час-тота

Потери урожай-ности, ц/га

Озимая рожь

Недостаток ресурсов влаги на фоне по-вышенной температуры (выход в труб-ку – колошение)

8 0,35 9,1

Переувлажнение, холодная погода, плохие условия уборки (колошение – восковая спелость)

5 0,22 8,7

Сильные заморозки 1 0,05 10,6

Яровой ячмень

Засушливые условия (выход в трубку – колошение)

13 0,57 11,5

Переувлажнение, затяжная весна, пло-хие условия уборки

3 0,13 9,8

Сильные заморозки 2 0,09 17,7

Снижение урожайности этих культур – явление довольно частое и происходит в основном из-за засушливых условий, переувлажнения или сильных заморозков. Причем вероят-ность повреждения яровых культур от засухи существенно выше по сравнению с озимыми.

Наибольшие потери урожайности от засушливых условий наблюдаются на песчаных и супесчаных почвах в Гомельской

303

и на юге Могилевской областей. От переувлажнения в весенне-летний период больше страдают районы с тяжелыми суглини-стыми и глинистыми почвами, особенно в Витебской и Моги-левской областях. Потери урожая из-за неблагоприятных по-годных условий в отдельные годы могут достигать 50–65 % по отношению к максимально возможным. На фоне изменения средних климатических условий, приведших к колебаниям урожая в пределах 10–20 %, влияние экстремальных климати-ческих условий может превышать эту цифру в 2–3 раза и до-стигать 30–60 %. В будущем основное влияние климата на сельское хозяйство будет определяться экстремальными кли-матическими явлениями.

Предварительный анализ изменения количества дней с мак-симальной температурой воздуха ≥ 25 °С за период май – ав-густ в последние годы выявил тенденцию к их росту (особен-но в южной части Беларуси). Аналогичная тенденция отмеча-ется и для числа сухих (с относительной влажностью 30 % и менее) дней.

Примерно с 1987 г. наблюдается более ранний переход тем-пературы воздуха через 0 оС весной. В то же самое время пред-варительные исследования динамики сроков начала вегетации (переход температуры воздуха через 5 °С) не показывают яв-ной тенденции к изменению, т.е. речь идет о тенденции к удлинению периода перехода температуры воздуха через 0 °С до 5 °С. Поэтому в ряде южных районов страны посев яровых зерновых в очень ранние сроки (после перехода через 0 °С) часто приводит к затягиванию периода всходов, а в некоторых случаях всходы при таких ранних сроках посевов сильно по-вреждаются заморозками.

Прогноз агроклиматических показателей. Прогнозные оценки агроклиматических показателей получены с использо-ванием имитационной системы климат – почва – урожай, разработанной во Всероссийском НИИ сельскохозяйствен-ной метеорологии.

В табл. 18.3 представлены численные значения важнейших агроклиматических показателей по областям. Они характери-зуют продолжительность вегетационного периода N, тепло-обеспеченность (температура января – T1 и июля – Т7), суммы температур за период с температурой выше 5 °С и 10 °С – ΣТ>5 °С и ΣТ>10 °С, среднюю температуру за указанныйпериод – TS, влагообеспеченность (сумма осадков – R), ГТК

304 Таблица 18.3. Современное состояние и прогноз изменения агроклиматических показателейпо областям Беларуси (В.Ф. Логинов, 2004)

Область TS ΣТ>5 °С ΣТ>10 °С N R, мм ПЕВТ, мм ЕВТ, мм ГТК T1 Т7

Абсолютные значения показателей современного климата

Брестская 13,7 2755 2394 202 434 659 612 1,55 18,3 –5,4Витебская 13,1 2432 2081 187 417 569 521 1,73 17,6 –7,4Гомельская 13,9 2738 2371 198 420 718 610 1,54 18,5 –6,6Гродненская 13,2 2610 2217 198 430 677 595 1,64 17,7 –5,5Минская 13,2 2528 2175 192 418 627 555 1,66 17,9 –6,7Могилевская 13,6 2545 2214 188 405 608 511 1,62 18,2 –7,5

Абсолютные отклонения показателей, 2020–2029 гг.

Брестская 1,1 364 456 11 36 101 98 –0,24 1,3 2,5Витебская 1,1 398 462 14 14 62 34 –0,31 1,0 2,9Гомельская 1,0 421 522 16 6 7 –3 –0,39 1,2 2,9Гродненская 1,3 371 492 10 27 53 35 –0,28 1,3 2,5Минская 1,2 387 451 12 23 62 40 –0,26 1,2 3,0Могилевская 1,1 447 484 17 3 46 27 –0,39 1,2 2,9

305

Селянинова, испарение (эвапотранспирация) – ЕВТ и испаряе-мость (потенциальную эвапотранспирацию за теплый период года) – ПЕВТ.

Повсеместно ожидается значительный рост величин потен-циального и в меньшей степени фактического испарения. Увеличение разрыва между данными показателями свиде-тельствует о некотором повышении засушливости террито-рии. О том же прямо свидетельствует ожидаемое повсемест-ное уменьшение коэффициента Селянинова (ГТК).

Увеличение продолжительности вегетационного периода улучшит условия проведения полевых работ и даст возмож-ность более широкого внедрения пожнивных (повторных) по-севов сельскохозяйственных культур. Рост теплообеспеченно-сти при достаточно хорошем в целом увлажнении территории может быть использован для внедрения более теплолюбивых сортов (гибридов) и видов сельскохозяйственных культур (подсолнечника, сахарной свеклы, сои), которые, как правило, отличаются и более высокой продуктивностью.

Климатические изменения приведут к изменениям кормо-вой базы животноводства, условий выпаса и содержания ско-та. Доля погодной и климатической составляющих в суммар-ной урожайности кормовых культур составляет 10–15 %. Про-гнозируемое увеличение длительности вегетационного перио-да увеличит длительность пастбищного сезона и уменьшит продолжительность стойлового периода.

При прогнозируемом повышении температуры воздуха на 1 °С улучшатся термические условия возделывания озимых зерновых культур в ландшафтах Поозерья и Белорусской воз-вышенной провинции. В Предполесской и Восточно-Бело-русской провинциях они останутся близкими к средним мно-голетним условиям, а в Полесской – ухудшатся и приведут к снижению продуктивности данных культур.

Опираясь на анализ имеющихся оценок зависимости уро-жайности от климата, выполнены расчеты ожидаемых ее из-менений для варианта, сочетающего рост температуры на 1 °С и уменьшение количества осадков. Данный вариант типичен, прежде всего, для центральной и южной частей страны. Про-веденный численный эксперимент показал, что при его реали-зации уменьшение урожайности может достигнуть для зерно-вых культур 4–16 %, картофеля – 8–20 % и льна-долгунца – 16–26 %. Исключением являются северные районы (ландшаф-ты Поозерской провинции), где при возделывании озимых

зерновых культур возможно небольшое увеличение урожайно-сти на 1–2 %, определяемое в основном улучшением теплово-го режима вегетационного периода.

Полученные результаты являются важными для оценки возможных воздействий изменения климата на сельскохозяй-ственное производство и разработок соответствующих страте-гий по его развитию. Они подтверждают необходимость учета изменения основных агроклиматических показателей.

307

ÇÀÊËÞ×ÅÍÈÅ

За время сельскохозяйственной деятельности в результате деградации почв человек вывел из оборота, опустынил и за-бросил 2 млрд га земель, а на существующих сельскохозяй-ственных площадях он вынужден затрачивать все больше энергии для поддержания достигнутой урожайности.

Деградация почв в мире охватывает многомиллионные тер-ритории, превышая весь потенциальный массив пахотопри-годных почв на планете, который составляет 3,2 млрд га.

Практически все нынешние пахотные земли планеты, со-ставляющие 1,5 млрд га, деградируют. Кроме того, этому про-цессу подвержено более 2,8 млрд га пастбищ. Если к данной площади добавить уже утерянные в результате деградации в прошлом 2 млрд га земель, то окажется, что почвы деградиро-вали или деградируют на половине территории суши (без уче-та территорий, покрытых ледниками и обнаженными скала-ми). Процесс нарастает за счет интенсивной вырубки тропиче-ских лесов, а также увеличения в атмосфере концентраций различных газов, что не может не сказаться на биогеохимии почв в любой точке суши.

Присутствие в почве, воде или воздухе даже незначитель-ного количества токсичных соединений способствует накопле-нию их в продуктах питания и негативному воздействию на организм человека. Существующие в экосистемах «пищевые цепи» обеспечивают аккумуляцию токсичных соединений в человеческом организме с коэффициентом концентрирова-ния, равным 10–15.

Как компонент биосферы почва выполняет ряд специфиче-ских биогеохимических функций. Результирующая взаимодей-ствия данных функций обеспечивает химическое, физическое и биологическое плодородие почвы, которое реализуется в способности почвы формировать урожай сельскохозяйствен-ных культур, осуществлять дезактивацию вредных для био-сферы ингредиентов, аккумулировать солнечную энергию в виде почвенного гумуса, обеспечивать сопряженность биохи-мических и геохимических циклов минеральных элементов. В том случае, если антропогенное вмешательство сопровожда-ется нарушением этих функций, почва подвергается деграда-ции. Разумное же управление свойствами почвы с помощью

308

агротехнических, агрохимических и мелиоративных приемов способно замедлить или предотвратить процессы деградации, обеспечить рост эффективного и потенциального плодородия, повысить устойчивость почв к антропогенному воздействию.

Особого внимания и строгих научных подходов требует си-стема использования пестицидов. При нарушении технологии их применения возможно накопление остаточных количеств пре-паратов в почве, растениях и воде. Ксенобиотики влияют на био-логическое равновесие в почве, что проявляется в изменении структуры почвенных биоценозов и нарушении взаимоотноше-ний между отдельными видами и целыми группами микроорга-низмов. Негативные реакции микробных популяций могут быть обратимыми и необратимыми. Реакция считается обратимой, если микробиологическая деятельность восстанавливается в те-чение 60 дней, и необратимой, если ингибирование более чем на 50 % сохраняется до конца вегетационного периода.

Естественные экосистемы обладают сложным механизмом саморегуляции. Разрушая этот механизм, человек создает усло-вия, при которых технический прогресс в сущности становится бесперспективным, особенно с долговременных позиций.

Важная особенность функционирования естественных экосистем – эволюционно сложившаяся сбалансированность происходящих в них процессов вещественно-энергетического обмена. В результате воздействия антропогенных «возмуща-ющих» источников экосистемы приобретают ряд специфи-ческих свойств, характерных для конкретных типов хо-зяйственной деятельности. Так, при аграрном типе антропо-генного фактора воздействия экосистема трансформируется в агроэкосистему, функционирование которой регулируется посредством «импорта в систему» вещества и энергии с целью достижения высокой продуктивности.

При формировании агроэкосистем основополагающее зна-чение имеет их устойчивость – способность сохранять и под-держивать значения своих параметров и структуры в простран-стве и во времени без изменения характера функционирования.

Параметрами устойчивости агроэкосистемы являются функции, режимы и свойства почвы; структура, организация и продуктивность агрофитоценоза; структура и организация ми-кробного сообщества; интенсивность и сбалансированность биогеохимического круговорота; потоки информации. Сохра-нение и повышение плодородия почв – центральное звено в обеспечении устойчивости агроэкосистем и АПК в целом.

309

Основу создания экологически безопасных и устойчивых агроландшафтов должна составлять научно обоснованная строго дифференцированная система ведения сельскохозяй-ственного производства, ориентированная на получение про-дукции высокого качества и максимально возможного по при-родным условиям количества при условии сохранения и обо-гащения среды обитания.

На начальных этапах формирования и выработки оценоч-ных критериев экологической заданности мотивировка реше-ний природоохранной направленности основывалась на тези-се: разрешено – значит, абсолютно безопасно. Теперь такой подход претерпевает качественные изменения. Сложившаяся концепция экологической безопасности, основанная на пока-зателях предельно допустимых концентраций (ПДК), в том числе предельно допустимых выбросов (ПДВ) и сбросов (ПДС) и др., должна уступить место концепции экологического риска, согласно которой негативные антропогенные воз-действия на агроландшафт необходимо минимизировать, учи-тывая при этом, что полностью устранить внешнее влияние практически невозможно.

Однако в тех случаях, когда риск из-за экзогенных воздей-ствий слишком велик и вероятные негативные последствия могут оказаться выше возможных экономических и социаль-ных выгод, использование агроландшафтов становится неце-лесообразным (даже невозможным).

Пока что нет не только официальных нормативных и мето-дических документов по определению предельно допустимых (критических) нагрузок на агроландшафты, но и обоснован-ной методологии экологического нормирования. Большинство научных разработок в данной области посвящено конкретным узкоспециализированным задачам и имеет ограниченное прак-тическое применение.

Целями экологического нормирования должны стать:обеспечение устойчивого паритетного развития общества

и природы;рациональное использование природных ресурсов и по-

лучение экологически безопасной продукции;управление потоком веществ, энергии и информации для

обеспечения устойчивого развития агроландшафтов;прогноз и управление качеством среды и предотвращение

необратимых негативных последствий.

310

Концепция экологического нормирования обеспечивает формирование теоретической основы рационального природо-пользования. Оптимизация устойчивого развития агроэкоси-стем должна строиться на экологической дифференциации аг-ротехнологий с целью достижения высокой тождественности аграрных форм деятельности человека с природными меха-низмами саморегуляции экосистем.

Экологическое нормирование тесным образом связано с понятием устойчивости агроэкосистем и опирается на поло-жения экологического императива. Экологический аспект оптимизации современных агроэкосистем основывается при этом на представлениях об их потенциальной емкости по от-ношению к антропогенному воздействию, сверх которой они теряют способность к саморегуляции. Необходимое регулиро-вание достигается введением нормативов и сертификатов при-родопользования, критериев качества окружающей среды, эко-номических и правовых норм и т.д. Вместе с тем объективно требуется интегральная оценка состояния и функционирова-ния агроэкосистем, позволяющая нормировать нагрузки и про-гнозировать возможности безопасного ведения земледелия.

В XX в. научные принципы землепользования нередко под-менялись сугубо прагматичным отношением, при этом соци-альные, энергетические и особенно экологические аспекты развития сельского хозяйства неизменно отодвигались на вто-рой план. Неуправляемое использование природных ресурсов, обеспечившее экономическое благополучие небольшому чис-лу стран, создало реальную угрозу экологической и экономи-ческой безопасности населения планеты. Сельскохозяйствен-ное производство становится все более зависимым от экологи-ческих факторов, изменяющихся под его влиянием.

Устойчивое развитие сельскохозяйственного производства должно определяться не только экономическими и организа-ционными мерами, но и уровнем научной обоснованности ре-гиональных систем земледелия. В настоящее время во многих случаях рекомендованные системы не обеспечивают рацио-нального использования почвенно-климатических ресурсов, эффективного использования средств интенсификации земле-делия, воспроизводства плодородия почв, экологической сба-лансированности. Стратегия развития современного земледе-лия предполагает экологический подход к сельскохозяйствен-ному производству.

311

Стратегия интенсификации сельскохозяйственного произ-водства, обеспечившая значительный рост урожайности в странах Западной Европы и США, несовершенна прежде все-го потому, что базируется на экспоненциальном росте затрат невозобновимой энергии и быстром истощении ее мировых запасов, которых даже при нынешнем неравномерном исполь-зовании хватит не более чем на 100–130 лет. Можно ли считать перспективной стратегию интенсификации сельского хозяй-ства, позволяющую обеспечить избыток продовольствия в од-них странах и обрекающую на нищету другие? Сотни миллио-нов голодающих в Африке, Азии и Латинской Америке не спо-собны тиражировать евро-американскую модель в первую очередь по причине недостатка энергетических ресурсов. Реа-лизация данной модели привела и к тому, что разлад человека с природой начинается именно с сельского хозяйства, о чем свидетельствуют не только всевозрастающие масштабы эро-зии и засоления почв, но и исчезновение многих видов фауны и флоры, загрязнение окружающей среды нитратами, фосфа-тами и пестицидами, нарушение экологического равновесия в агроэкосистемах и биосфере в целом. Ориентация на усиление техногенной интенсификации растениеводства особенно ма-лоэффективна в неблагоприятных почвенно-климатических и погодных условиях, где даже при значительных затратах не-восполнимой энергии на коренную и эксплуатационную ме-лиорацию не удается снизить зависимость величины и каче-ства урожая от «капризов» погоды.

Интенсификация растениеводства вне зависимости от не-обходимости поддержания экологического равновесия в агро-экосистемах (переход к монокультуре, снижение генетическо-го разнообразия культивируемых видов и сортов растений и др.) требует использования все большего количества пести-цидов и удобрений. Последствия такого подхода широко из-вестны: появляются устойчивые к пестицидам и более вредо-носные популяции возбудителей болезней, вредителей и сор-няков; усиливается нарушение экологического равновесия в агроэкосистемах вследствие гибели полезной энтомо- и орни-тофауны, снижения биогенности почвы; возрастает опасность загрязнения сельскохозяйственной продукции и природной среды. Иными словами, попытки смягчить противоречия од-носторонней, в основном техногенной, интенсификации за счет дополнительных вложений невосполнимой энергии со-провождаются «бумеранговым» эффектом и лишь усугубляют ситуацию.

Анализ евро-американской модели интенсификации расте-ниеводства раскрывает масштабность и глубину ее противоре-чий. Поэтому необходим поиск альтернативных концепций и стратегий производства продуктов питания, позволяющих в наибольшей мере использовать громадный потенциал научных знаний, накопленных человечеством.

Повышение наукоемкости и наукообеспеченностн сельско-хозяйственного производства требует высочайшего уровня и больших масштабов исследований в области как фундамен-тальной, так и прикладной науки. Главный недостаток совре-менных концепций и стратегий интенсификации сельского хо-зяйства состоит в том, что они не учитывают в должной мере уже познанные законы развития биосферы Земли, а сами агро-системы не рассматривают в качестве ее составной части. Между тем без использования достижений в области синтети-ческой теории эволюции, общей генетики, эволюционной бо-таники, экологии, физиологии, микробиологии, почвоведения, климатологии и других фундаментальных наук не могут быть познаны закономерности формирования адаптивных реакций культивируемых растений и разработаны ресурсо-энерго-экономные и природоохранные способы управления ими с целью обеспечения устойчивого роста урожайности. Следо-вательно, сельскохозяйственную науку нужно рассматривать как синтез многих областей знаний, позволяющий превратить сельское хозяйство из отрасли, базирующейся на всевозраста-ющих затратах невосполнимых ресурсов, в «индустрию жиз-ни», обеспечивающую человечество продуктами питания и со-хранение природной среды. Этим и объясняются не только престижность сельскохозяйственной науки, но и общепризнан-ные в мире приоритеты ее развития и финансирования.

313

ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ

Агроэкология / под ред. В.А. Черникова. М., 2000.Антропогенные изменения климата / под ред. М.И. Будыко, Ю.А. Из-

раэля. Л., 1987.Баранников, В.Д. Охрана окружающей среды в зоне промышленного

животноводства / В.Д. Баранников. М., 1985.Баранников, В.Д. Экологическая безопасность сельскохозяйственной

продукции / В.Д. Баранников, Н.К. Кириллов. М., 2005.Белковский, В.М. Использование и охрана торфяных комплексов в Бе-

ларуси и Польше / В.М. Белковский [и др.]. Минск, 2002.Биогеохимические основы экологического нормирования / под ред.

В.Н. Башкина, Е.В. Евстафьева. М., 1993.Богдановский, Г.А. Химическая экология / Г.А. Богдановский. М., 1984.Быков, А.А. Проблемы анализа безопасности человека, общества и

природы / А.А. Быков, Н.В. Мурзин. СПб., 1997.Варламов, А.А. Повышение эффективности использования земли /

А.А. Варламов, С.Н. Волков. М., 1991.Влияние атмосферного загрязнения на свойства почв / под ред.

Л.А. Гришиной. М., 1990.Гербициды и почва: Экологические аспекты применения гербицидов /

под ред. Е.А. Дмитриева. М., 1990.Глазовская, М.А. Методологические основы оценки эколого-

химической устойчивости почв к техногенным воздействиям / М.А. Гла-зовская. М., 1997.

Глобальное потепление: Доклад Гринпис / под ред. Дж. Леггетта. М., 1993.Добровольский, Г.В. Охрана почв / Г.В. Добровольский, Л.А. Гриши-

на. М., 1985.Добровольский, Г.В. Структурно-функциональная роль почв и почвен-

ной биоты в биосфере / Г.В. Добровольский, И.П. Бабьева, Л.Г. Богаты-рев. М., 2003.

Добровольский, Г.В. Экологические функции почв / Г.В. Доброволь-ский, Е.Д. Никитин. М., 1986.

Дончева, А.В. Ландшафтная индикация загрязнения природной среды / А.В. Дончева, Л.К. Казаков, В.Н. Калуцков. М., 1992.

Жученко, А.А. Адаптивное растениеводство / А.А. Жученко. Киши-нев, 1990.

Звягинцев, Д.Г. Почва и микроорганизмы / Д.Г. Звягинцев. М., 1987.Израэль, Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды /

Ю.А. Израэль. Л., 1984.Иноземцев, А.А. Использование и охрана ландшафтов / А.А. Инозем-

цев, Ю.А. Щербаков. М., 1988.

314

Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. М., 1989.

Карпачевский, Л.О. Экологическое почвоведение / Л.О. Карпачев-ский. М., 1993.

Каштанов, А.Н. Основы ландшафтно-экологического земледелия / А.Н. Каштанов, В.Н. Лисецкий, Г.И. Швебс. М., 1994.

Киприянов, Н.А. Экологически чистое растительное сырье и готовая пищевая продукция / М.А. Киприянов. М., 1997.

Кирюшин, В.И. Экологические основы земледелия / В.И. Кирюшин. М., 1996.

Ковда, В.А. Биогеохимия почвенного покрова / В.А. Ковда. М., 1985.Куценко, А.М. Охрана окружающей среды в сельском хозяйстве /

А.М. Куценко, В.Н. Писаренко. Киев, 1991.Лаптев, И.П. Сельское хозяйство и охрана природы / И.П. Лаптев.

М., 1982.Лунев, М.И. Пестициды и охрана агрофитоценозов / М.И. Лунев. М., 1992.Майстренко, В.Н. Эколого-аналитический мониторинг супертокси-

кантов / В.Н. Майстренко, Р.З. Хамитов, Г.К. Будников. М., 1996.Маслов, Б.С. Мелиорация и охрана природы / Б.С. Маслов, И.В. Ми-

неев. М., 1985.Медведский, В.А. Сельскохозяйственная экология / В.А. Медведский,

Т.В. Медведская. Минск, 2010.Минеев, В.Г. Агрохимия, биология и экология почвы / В.Г. Минеев,

Е.Х. Ремпе. М., 1990.Минеев, В.Г. Биологическое земледелие и минеральные удобрения /

В.Г. Минеев. М., 1993.Муха, В.Д. Агропочвоведение / В.Д. Муха, Н.И. Картамышев,

Д.В. Муха. М., 2003.Никитин, З.И. Микробиологический мониторинг наземных экоси-

стем / З.И. Никитин. Новосибирск, 1991.Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы / под ред.

Э.К. Бютнер, Г.С. Голицина, И.Е. Турчинович. Л., 1989.Подоляко, В.М. Биосферно-совместимое использование лесных и бо-

лотных экосистем / В.М. Подоляко [и др. ]. Минск, 2003.Полуэктов, Р.А. Динамические модели агроэкосистемы / Р.А. Полуэк-

тов. СПб., 1991.Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв / под ред.

Д.С. Орлова, В.Д. Василевской. М., 1994.Прогноз изменения окружающей природной среды Беларуси на 2010–

2020 гг. / под ред. В.Ф. Логинова. Минск, 2004.Разумихин, Н.В. Природные ресурсы и их охрана / Н.В. Разуми-

хин. Л., 1987.Рэуце, К. Борьба с загрязнением почв / К. Рэуце, С. Кырстя.

М., 1986.

Сельскохозяйственные экосистемы / под ред. Л.О. Карпачевско-го. М., 1987.

Сергеев, М.Г. Экология антропогенных ландшафтов / М.Г. Сергеев. Новосибирск, 1997.

Тышкевич, Г.Л. Экология и агрономия / Г.Л. Тышкевич. Киши-нев, 1991.

Тюруканов, А.Н. О чем говорят и молчат почвы / А.Н. Тюрука-нов. М., 1990.

Федоров, Л.А. Диоксины как экологическая опасность / Л.А. Федо-ров. М., 1993.

Черников, В.А. Определение экотоксикантов в воде, воздухе, почве, растениях и продуктах растениеводства / В.А. Черников, В.Г. Попов, Л.В. Мосина. М., 1995.

Эйхлер, В.А. Яды в нашей пище / В.А. Эйхлер. М., 1993.Экологическая альтернатива / под ред. М.Я. Лемегиева. М., 1990.Экологические системы. Адаптивная оценка в управлении / под ред.

К.С. Холина. М., 1982.Экология и земледелие / под ред. Е.Н. Мишустина. М., 1980.Экология, охрана природы и экологическая безопасность / под ред.

В.И. Данилова-Данильяна. М., 1997.Яншин, А.Л. Уроки экологических просчетов / А.Л. Яншин, А.И. Ме-

луа. М., 1991.

316

ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Глава 1. Типы, структура и функции агроэкосистем . . . . . . . . . . 6

1.1. Понятие «агроэкосистемы» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2. Типы и структура агроэкосистем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3. Функции агроэкосистем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.4. Пути повышения продуктивности агроэкосистем . . . . . . . . . . . 131.5. Особенности круговорота веществ в агроэкосистемах . . . . . . . 15

Глава 2. Почвенно-биотический комплекскак основа агроэкосистемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.1. Значение почвенной биоты и ее состав . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2. Структурно-функциональная организация

почвенно-биотического комплекса в различныхэкологических условиях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.3. Типы связей в почвенном биотическом сообществе . . . . . . . . . 232.4. Характеристика и роль микроорганизмов почвы

в круговороте веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.5. Микроорганизмы – показатели антропогенного

загрязнения экосистем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Глава 3. Почвенная биота и биологическиепроцессы в почве . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.1. Почвенные водоросли и их функционирование . . . . . . . . . . . . . 333.2. Почвенные процессы, происходящие при участии животных 343.3. Почвенные грибы и их функции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.4. Бактерии и актиномицеты, их функции в почве . . . . . . . . . . . . . 393.5. Полифункциональность микроорганизмов . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.6. Концепция почвы как множества сред

обитания микроорганизмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.7. Изменение микробиологических процессов

при сельскохозяйственном использовании почви их регулирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.8. Оценка биологической активности почвы. . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Глава 4. Роль почвенных микроорганизмовв круговороте химических элементов в наземных экосистемах 60

4.1. Микроорганизмы как геохимические агенты . . . . . . . . . . . . . . . 604.2. Роль почвенных микроорганизмов в круговороте

биофильных элементов в природе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

317

4.3. Роль микроорганизмов в трансформациидругих химических элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.4. Микробиологическое разрушение горных пород и минералов 71

Глава 5. Нормирование содержания химических элементовв почве и защита ее от загрязнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

5.1. Санитарно-гигиеническое нормирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755.2. Экологическое нормирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775.3. Химическая мелиорация почв . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825.4. Оценка загрязнения почв . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Глава 6. Экологические проблемы примененияхимических средств защиты растений в агроэкосистемах. . . . . 88

6.1. Классификация пестицидов по их целевому назначениюи устойчивости к разложению . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6.2. Особенности использования пестицидов в сельском хозяйстве 906.3. Отрицательные последствия, связанные с применением

пестицидов в агроэкосистемах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 926.4. Экологические требования к пестицидам . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Глава 7. Экологические проблемы Республики Беларусьв связи с катастрофой на Чернобыльской АЭС . . . . . . . . . . . . . . 100

7.1. Состояние проблемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1007.2. Принципы ведения сельскохозяйственного производства

на территориях с повышенным содержанием радионуклидов 1017.3. Переход радионуклидов из кормов в молоко и мясо . . . . . . . . . 1067.4. Особенности ведения сельского хозяйства в условиях

радиоактивного загрязнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1087.5. Мероприятия по снижению поступления радионуклидов

в продукцию животноводства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

Глава 8. Альтернативные системы земледелияи их экологическое значение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

8.1. Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1158.2. Развитие альтернативного земледелия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1168.3. Экологические особенности вермикультуры . . . . . . . . . . . . . . . 1198.4. Биогумус и его агроэкологическая оценка . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Глава 9. Фитосанитарные особенности агроэкосистем . . . . . . . . 127

9.1. Особенности накопления возбудителей болезней,вредных насекомых и сорняков в агроэкосистемах . . . . . . . . . . 127

9.2. Стратегия защиты агроценозов от вредных видов . . . . . . . . . . . 1309.3. Биологические методы защиты растений в агроэкосистемах . . 1349.4. Оптимизация фитосанитарного состояния агроэкосистем . . . . 136

318

Глава 10. Методические особенности проведенияагроэкологического мониторинга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

10.1. Агроэкологический мониторинг в интенсивном земледелии . . . 13810.2. Компоненты агроэкологического мониторинга . . . . . . . . . . . . 14310.3. Эколого-токсикологическая оценка агроэкосистем . . . . . . . . . 14710.4. Биогеохимические подходы к проведению

агроэкологического мониторинга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

Глава 11. Критерии оценки экологического состояния территорий 158

11.1. Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15811.2. Ботанические и биохимические критерии . . . . . . . . . . . . . . . . . 16111.3. Экологические критерии нарушения животного мира

и почвенные критерии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16411.4. Пространственные и динамические критерии . . . . . . . . . . . . . 166

Глава 12. Экологические проблемы деградации почв . . . . . . . . . 169

12.1. Деградация почв – глобальная экологическая проблема . . . . . 16912.2. Факторы и формы проявления деградации почв . . . . . . . . . . . 17112.3. Химическое загрязнение почв как фактор их деградации . . . . 17412.4. Эрозия почв и ее агроэкологические последствия . . . . . . . . . . 17712.5. Деградация торфяных почв . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18112.6. Изменение климата и проблема деградации почв . . . . . . . . . . 18312.7. Оптимизация использования почв . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

Глава 13. Биоиндикация и биотестирование в агроэкологии . . . . 187

13.1. Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18713.2. Биоиндикация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18913.3. Биотестирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19013.4. Фитоиндикация состояния почвенного покрова . . . . . . . . . . . . 19213.5. Почвенно-зоологическая и микробиологическая индикации 194

Глава 14. Экологические проблемы осушения почв Беларуси . . . 200

14.1. Экология, распространение и классификация торфяных болот 20014.2. Биосферные функции болот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20714.3. Экологические последствия осушения почв Беларуси . . . . . . 21214.4. Международная значимость заболоченных речных пойм,

низинных и верховых болот для сохраненияглобального разнообразия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

14.5. Агроэкологические особенности использованияосушенных торфяных почв . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

Глава 15. Организация агроэкосистем и их оптимизация . . . . . . 219

15.1. Принципы организации агроэкосистем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

15.2. Оптимизация структурно-функциональнойорганизации агроэкосистем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

15.3. Современные представления об устойчивости агроэкосистем 22915.4. Устойчивость агроэкосистем при разных системах земледелия 232

Глава 16. Производство экологически безопасной продукции . . . 239

16.1. Эколого-токсикологические нормативы . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23916.2. Тяжелые металлы и нитраты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24116.3. Пестициды и диоксины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25116.4. Бенз(а)пирены и полихлорбифенилы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25516.5. Регуляторы роста растений и лекарственные средства . . . . . . 25816.6. Продукты жизнедеятельности вредителей, афлатоксины

и другие микотоксины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26216.7. Основные почвенно-экологические факторы,

определяющие безопасность сельскохозяйственной продукции 265

Глава 17. Агроэкосистемы и проблемы сохранениябиологического разнообразия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

17.1. Сущность понятия «биологическое разнообразие» . . . . . . . . . 27117.2. Уровни биологического разнообразия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27217.3. Экологическое и экономическое значение

биологического разнообразия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27817.4. Воздействие человека на биологическое разнообразие . . . . . . 283

Глава 18. Антропогенные изменения климата и их влияниена сельскохозяйственное производство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

18.1. Значение климата в хозяйственной деятельности человека . . 28718.2. Естественная климатическая изменчивость . . . . . . . . . . . . . . . 29018.3. Влияние хозяйственной деятельности человека

на изменения климата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29318.4. Сценарии возможного изменения климата . . . . . . . . . . . . . . . . 29618.5. Изменения климата и их последствия в Беларуси . . . . . . . . . . 298

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

Учебное издание

Куликов Ярослав Константинович

АГРОЭКОЛОГИЯ

Учебное пособие

Редактор А.В. НовиковаХудожественный редактор Т.В. ШабунькоТехнический редактор Н.А. Лебедевич

Корректор Е.З. ЛипеньКомпьютерная верстка Ю.Н. Трусевич

Подписано в печать 11.03.2012. Формат 84×108/32. Бумага офсетная.Гар ни тура «Таймс». Офсетная печать. Усл. печ. л. 16,8. Уч.-изд. л. 18,3.

Тираж 1000 экз. Заказ 680.Республиканское унитарное предприятие «Издательство “Вышэйшая шко ла”». ЛИ № 02330/0494062 от 03.02.2009. Пр. Победителей, 11, 220048, Минск.

е-mail: market@vshph.com http://vshph.comРеспубликанское унитарное предприятие «Издательство “Белорусский Дом печати”».

ЛП № 02330/0494179 от 03.04.2009. Пр. Независимости, 79, 220013, Минск.