Тема 11. Добрива, навколишнє середовище та способи захисту ґрунту від надлишкових кількостей добрив.

Основні чинники негативного впливу добрив

У сучасних умовах сільськогосподарське виробництво розглядають як галузь, що завдає значної шкоди навколишньому середовищу через забруднення агрохімікатами, зумовлює масштабні деградаційні процеси ґрунтів, негативно впливає на здоров’я людей.

Водночас щороку зростають потреби населення у продуктах харчування, основним джерелом яких є сільське господарство. Близько половини приросту сільськогосподарської продукції одержують за рахунок використання агрохімічних засобів. Зростаюча потреба суспільства у продукції агровиробництва призводить до збільшення обсягів використання агро-хімікатів, що в свою чергу посилює антропогенне навантаження на навколишнє середовище. Проблему агрохімічного забруднення можливо вирішити лише на основі науково обґрунто-ваного використання всіх елементів технології вирощування сільськогосподарських культур, насамперед вдосконалення систем удобрення та прийомів внесення добрив, глибоких агроекологічних знань.

Із необхідністю використання агрохімікатів екологічні проблеми загострилися через значне збільшення обсягів застосування добрив у сільському господарстві та набули глоба-льних масштабів. Основними причинами забруднення навколишнього середовища агрохіміч-ними засобами є:

- недосконалість технологій виробництва, транспортування, зберігання, змішування і внесення добрив;

- порушення агротехнологій застосування добрив у сівозміні та під окремі культури;

- недотримання співвідношення між внесеними мінеральними й органічними добривами;

- водна ерозія і дефляція;

- недотримання меліоративних заходів із поліпшення фізико-хімічних властивостей ґрунту;

- низька якість і велика кількість шкідливого баласту у мінеральних добривах;

- інтенсивне використання різноманітних промислових, побутових і міських відходів як добрив без належного і систематичного фітосанітарного та хімічного контролю.

У технологічних схемах транспортування, зберігання і внесення добрив необхідно виділити недосконалу логістику, яка в сучасних умовах базується на внесенні добрив «з ко-ліс». Часто з метою здешевлення продукції виробники закуповують добрива не у тарі, що спричиняє значні втрати за умови перенавантаження на автотранспорт і доставки до поля. За даними науково-дослідних установ, втрати добрив на етапі «завод-поле» сягають 15-25%. Крім того, значні втрати поживних речовин відбуваються за відкритого зберігання через вплив сонячного світла, атмосферних опадів, звітрювання. За зберігання добрив у пристосо-ваному приміщенні впродовж місяця втрати становлять 2,6%, а поза приміщенням - 11,5%.

Значним джерелом непродуктивних витрат добрив і зниженням їх позитивного впли-ву є нерівномірний розподіл по поверхні поля та сегрегація, або розділення на різні фракції за транспортування і внесення. Втрати врожаю за внесення нітрофоски в дозах 60-80 кг/га д. р. NPK із нерівномірністю до 60% досягають, ц/га: ячменю - 5-8, картоплі - 15-20; цукрових буряків - 20-40. Недобір урожаю від нерівномірності внесення зростає за використання концентрованих і висококонцентрованих добрив, підвищення їх доз і на культурах, які добре реагують на добрива.

Рівномірність розсіювання мінеральних добрив машинами відцентрового типу залежить не лише від вирівняності гранул у тукосумішах, а й від дотримання відстані між про-ходами агрегату, визначення оптимальної ширини його захвату, форм і дисперсності добрив. Для підвищення якості внесення мінеральних добрив необхідне впровадження у виробни-цтво нових типів машин, що забезпечують поверхневе внесення з нерівномірністю не більше 15%, а також високопродуктивних машин для локального їх внесення. Потребує оновлення парк розкидачів твердих мінеральних добрив, які у більшості випадків є технологічно зас-тарілими і не забезпечують рівномірного внесення добрив по поверхні ґрунту, а також ма-шин для внесення рідких добрив із високою продуктивністю, обладнаних системами супутникової навігації та системами діагностики мінерального живлення рослин із миттєвою корекцією норми внесення робочої рідини.

Розширення у сільськогосподарському виробництві потребують і інші елементи точ-ного землеробства. Широке використання у практиці геоінформаційних систем і технологій еколого-агрохімічного моніторингу та складання паспортів полів забезпечить оперативність у прийнятті рішень щодо ефективного використання засобів хімізації на кожному полі під конкретну культуру з урахуванням її біологічних особливостей.

Одним із потенційних джерел забруднення ґрунтового покриву вважають добрива, в яких залежно від якості сировини кількість важких металів коливається у значних межах.

Особливу небезпеку становлять фосфорні добрива з африканської сировини: значні їх поклади (до 50 млрд т) зосереджені у Марокко і Єгипті. Разом із США ці країни забезпечу-ють 3/4 їх світового виробництва.

Численні дослідження вказують на те, що за науково обґрунтованого застосування доз добрив під сільськогосподарські культури істотного забруднення вирощеної продукції не відбувається: перевищення ГДК можливе лише за тривалого їх застосування. Враховуючи, що внесення фосфорних добрив на гектар ріллі в Україні становить 7-10 кг/га д. р., небезпека забруднення ґрунтів і сільськогосподарської продукції від фосфорних добрив мінімальна.

Проблему забруднення азотними добривами можна ефективно вирішувати дозованим їх внесенням, відповідно до біологічного циклу засвоєння азоту залежно від сортогенетичних особливостей вирощуваних культур. Наукові дослідження та виробнича практика свідчать, що непродуктивні втрати азоту можна звести до мінімуму, а коефіцієнт їх використання значно підвищити за умов правильного вибору виду, доз і строків внесення.

Підвищену небезпеку забруднення ґрунтів і підґрунтових вод становлять місця складування на незначній площі великої кількості мінеральних і органічних добрив на великих тваринницьких комплексах і птахофабриках. Їх зберігання, змішування, перевантаження стає причиною локального забруднення ґрунтів і підґрунтових вод. Проте такі території практич-но не обстежують і не оцінюють на предмет екологічної небезпеки.

Значною проблемою залишаються водна ерозія і дефляція. Площа сільськогосподар-ських угідь, які зазнають згубного впливу від водної ерозії, становить 13,3 млн га, вітрової - 6 млн. га, а в роки з катастрофічними пиловими бурями - 20 млн. га. Розвиток ерозійних процесів призвів до щорічних втрат ґрунту на рівні 450-600 млн. т, або 15-20 т/га. З родючим шаром щорічно втрачається до 20 млн. т гумусу, 0,5-0,9 млн. т азоту, 0,7-1,3 млн. т калію, що значно більше, ніж вносять із добривами.

Урожайність культур на еродованих на 20-60% нижча, ніж на нееродованих землях. Втрати продукції землеробства від ерозії, за експертними оцінками, перевищують 9-12 млн. т зернових одиниць за рік, а економічні збитки внаслідок ерозії становлять понад 6 млрд. дол. США.

Ерозія призводить не лише до посилення деградаційних процесів ґрунтів, а й до заб-руднення навколишнього середовища, ґрунтових і підґрунтових вод. На сьогодні понад 30 млн. га земель сільськогосподарського призначення визнано деградованими, а 14-17 млн. га - ерозійно небезпечними. Зменшення інтенсивності водної та вітрової ерозії сприятиме зни-женню непродуктивних втрат поживних речовин із добрив, зростанню коефіцієнта засвоєння та їх загальній ефективності. Тому одним із найдієвіших заходів є перехід на ґрунтозахисні системи обробітку за контурно-меліоративної організації території з виділенням полів кру-тизною до 30 і веденням на них інтенсивного землеробства та ґрунтозахисних кормових сіво-змін на схилах понад 3-5⁰.

Порушення науково обґрунтованої технології внесення добрив - суттєвий чинник втрат елементів живлення і забруднення навколишнього середовища. Науковими установами НААН розроблено й апробовано комплекс заходів, що запобігають забрудненню навколиш-нього середовища мінеральними добривами внаслідок порушення технологічних процесів їх застосування:

- протиерозійний обробіток ґрунту; безполицевий, плоскорізний, чизельний, смуговий, контурний, гребінчастий, мінімальний та прямий посів no-till тощо;

- впровадження терасного, смугового землеробства і протиерозійних сівозмін;

- утримання еродованих ґрунтів під рослинністю якомога довше впродовж періоду вегетації (проміжні посіви, ущільнений посів у міжряддях просапної ґрунтозахисної культу-ри);

- залуження ерозійно небезпечних площ багаторічними травами;

- правильний вибір форм, доз, строків і способів внесення і заробки добрив;

- впровадження комплексу заходів щодо оптимізації структури ґрунту (зменшення тиску робочих органів на ґрунт та кількості технологічних проходів по полю, використання полімерів-структуроутворювачів тощо).

Оптимальна об’ємна маса структурного ґрунту - 1,1-1,2 г/см³, яка під впливом надмірного обробітку зростає до 1,6-1,8 г/см³. У таких ґрунтах майже вдвічі зменшується зага-льна пористість, різко знижуються водопроникність і водоутримувальна здатність, зменшу-ється стійкість ґрунту до ерозійних процесів. Так, трактор «Кіровець-700» ущільнює ґрунт у колії на глибину до 20 см, врожай на таких ділянках удвічі нижчий, ніж на неущільнених. Лише за рахунок цього чинника загальний врожай на полі зменшується на 20 відсотків.

Отже, у вирішенні проблеми агрохімічного забруднення актуальним залишається пи-тання розробки нової технічної політики, спрямованої на виробництво машинно-тракторних агрегатів, які не порушують його здатності підтримувати структуру, оптимальну щільність, водно-повітряний, тепловий і біологічний режими.

Розуміння важливості проведення меліоративних заходів для збереження і відтво-рення родючості ґрунтів, їх високої ресурсної затратності та недостатньої екологічної визначеності ставить на порядок денний необхідність вирішення низки актуальних проблем хімічної меліорації. Такі ґрунти займають 18,8% загальної площі орних земель, у тому числі кислі - 14,0% і солонцеві - 4,8%. Ґрунтів із підвищеною кислотністю понад 11 млн. га, з яких 7,8 млн. припадає на ріллю, понад 3 млн. - на природні кормові угіддя.

Підвищені рівні кислотності та солонцюватості знижують родючість ґрунтів, наслідком чого є не тільки відчутний недобір урожаю, а й низька його якість. До ґрунтів, які потребують хімічної меліорації, відносять і забруднені водорозчинними токсичними солями, важкими металами, радіонуклідами, закисними сполуками, газами та іншими полютантами. Загальна площа таких ґрунтів переважає 4,6 млн., у тому числі 3,1 млн. га ріллі, з яких із сільськогосподарського використання вилучено 119 тис. га, у тому числі 65 тис. ріллі.

Заходи з хімічної меліорації ґрунтів за останні роки значно скоротилося передусім через високу енергозатратність і відсутність необхідної державної фінансової підтримки. У цьому контексті виникає потреба в пошуку альтернатив і новітніх технологічних рішень з проблем хімічної меліорації ґрунтів, необхідність проведення якої варто розуміти не лише як спосіб нейтралізації зайвої кислотності - лужності вапнуванням кислих і гіпсуванням солон-цевих ґрунтів.

Проблемою залишається недосконалість хімічних властивостей добрив, особливо азотних. Взаємодіючи із ґрунтом, азот добрив внаслідок нітрифікації протягом певного часу переходить у рухому нітратну форму, а через денітрифікацію трансформується у молекулярний азот, що звітрюється.

Для гальмування процесів нітрифікації та денітрифікації застосовують інгібітори, які підвищують коефіцієнт використання азоту з добрив і суттєво зменшують його втрати. Най-поширенішими є американські препарати (нітрапірин) та японський AM, які затримують ніт-рифікацію амонійних іонів як з ґрунту, так і з внесених добрив. Як свідчать багаторічні дослідження, інгібітори підвищують коефіцієнт використання азоту добрив на 10-15%, а в ок-ремих випадках і більше, знижуючи втрати азоту з них у 1,5-2 рази.

Використання агрохімічних засобів має специфічні, часто взаємно позитивні і нега-тивні екологічні аспекти. Оптимальна кислотність ґрунту запобігає засвоєнню ртуті, свинцю та кадмію, а з її підвищенням зростають витрати кальцію, магнію, калію, активізуються процеси мобілізації рослинами алюмінію, заліза, марганцю, що у свою чергу зумовлює зв’язу-вання фосфору і як результат - серйозні агроекохімічні наслідки.

За вапнування і фосфорилювання кислих ґрунтів мобілізується молібден, інколи до токсичного для рослин і тварин рівня. Одночасно знижуються доступність для рослин заліза, цинку, нікелю, міді, кобальту, марганцю та інших елементів, фітотоксичність окремих важ-ких металів.

Використання агрохімічних засобів часто посилює складний взаємозв’язок між макро- і мікроелементами. Одностороннє використання підвищених доз фосфорних добрив часто знижує вміст у ґрунті рухомого цинку, спричинюючи цинкове голодування рослин, що негативно позначається на кількості та якості врожаю, а сумісне використання фосфорних і цинкових добрив забезпечує достовірний приріст урожаю, особливо злакових культур.

Важливий екологічний аспект застосування мінеральних добрив і хімічних меліоран-тів полягає в тому, що їх оптимальне поєднання з урахуванням властивостей і родючості ґру-нтів запобігає надходженню у рослини не лише токсичних сполук, а й радіонуклідів. Водночас суттєвим недоліком мінеральних добрив і хімічних меліорантів є наявність у них баластних сполук, у тому числі токсичних. Із тонною хлористого калію вноситься майже тонна хлору, а з тонною фосфору - близько 150 кг фтору. Нагромадження певної їх кількості погіршує властивості ґрунту, пригнічує його біологічну активність, змінює напрям біогеохіміч-них процесів. Крім того, токсичні елементи через ґрунт і рослини потрапляють у корми та продукти харчування, негативно впливають на організми тварин і людини.

За сучасних умов виробництва мінеральних добрив більша частина кадмію, фтору та інших токсичних елементів, які містяться у сировині, переходить у добриво. Наприклад, у фосфогіпсі, який є похідним при виробництві суперфосфату з кольського апатиту, міститься до 2% стронцію, 0,5% фтору, цинк, свинець, хром, миш’як, нікель. Тому фосфогіпс є потенційним джерелом забруднення ґрунту і рослин.

Найбільшу екологічну небезпеку з позиції забруднення ґрунту токсичними елементами становлять відходи - побічні продукти різноманітних галузей виробництва, які використовують як добриво. Як правило, вони містять невелику кількість біогенних елементів у доступній для рослин формі, але порівняно великі кількості важких металів і токсичних сполук. Розглядаючи можливість використання їх для удобрення, необхідно глибоко вивчати хімічний склад і всебічно оцінювати можливі негативні наслідки. Використання підвищених доз (5-6 ц/га) піритних огарків як добрива, що містить мідь, призводить до забруднення ґрунту свинцем, миш’яком та іншими токсичними елементами, що підвищує їх вміст у сільськогосподарській продукції.

За умов одноразового внесення і рівномірного розподілу мінеральних добрив вміст токсичних сполук у верхньому шарі грунту суттєво не змінюється. Але за систематичного застосування окремі з них можуть перевищувати гранично допустимі концентрації.

Застосування фізіологічно кислих солей, якими є чимало мінеральних добрив, призво-дить до підкислення ґрунту і погіршення його фізико-хімічних властивостей, переходу токсичних елементів із недоступної для рослин у рухому форму.

Використання органічних добрив для відтворення родючості ґрунту важливе насампе-ред для забезпечення бездефіцитного балансу гумусу. Джерелом гумусу у ґрунті можуть бути: усі види гною, компостів, пташиного посліду та ін.; науково обґрунтована сівозміна, особливо з високим відсотком у структурі посіву багаторічних бобових трав, які компесують потребу в органічних добривах для бездефіцитного балансу гумусу не менше ніж на 20-25%; широке використання у сівозмінах, особливо в районах достатнього зволоження, зелених добрив (15 т/га сидератів за ефективністю не поступається 10 т/га перепрілого гною).

Використання всіх джерел надходження органічної речовини ґрунту є ефективним як з агрономічної, так і з екологічної позиції. Однак органічні добрива можуть містити певну кількість токсичних речовин. Із внесенням неперепрілого гною, з розрахунку 5 т/га сухої ре-човини вносять 2-4 г кадмію і 25-30 г свинцю.

Наукові установи значну увагу приділяють розробці та впровадженню нових видів мінеральних добрив з підвищеним вмістом діючої речовини і низьким - токсичних домішок. Активно вивчають ефективність капсулювання добрив, покриття їх синтетичними плівками, смолами, парафіном, що сприяє повільному вивільненню елементів живлення з водорозчинних добрив, пролонгації їх дії на рослини.

Узагальнені експериментальні дані наукових установ України свідчать про те, що вне-сення підвищених доз добрив істотно не впливає на екосистеми. Проте систематичне вико-ристання добрив у високих дозах може порушити біогеохімічний цикл поживних речовин у навколишньому середовищі. Такі порушення можливі у районах інтенсивного ведення сільськогосподарського виробництва (за вирощування буряків, овочів, у разі неправильного ви-користання добрив). Встановлено, що добрива як могутній екологічний чинник, по-різному впливають на навколишнє середовище, що може супроводжуватися певними змінами складу та властивостей літосфери, гідросфери, атмосфери, флори і фауни.

Екологічні аспекти застосування добрив

Значним джерелом непродуктивних витрат мінеральних добрив і зниження їх ефективності є нерівномірний розподіл по площі поля та їх втрати під час транспортування і внесення. Нерівномірність розподілу добрив під час їх внесення у виробничих умовах іноді у 2 - 3 рази перевищує допустимі межі. Саме тому, ефективність азотних добрив знижується на 40 - 50 %, фосфорних — на 35 - 40, калійних і складних — на 15-20%. Різко загострюється екологічна ситуація внаслідок утворення в ґрунті осередків з надмірно високим вмістом елементів живлення для рослин.

Забруднення навколишнього природного середовища зумовлюється не лише підвищеними нормами внесених добрив, а й низькою культурою їх застосування, використанням недосконалих або екологічно дуже несприятливих технологій. Забруднення добривами водних джерел зумовлює  евтрофікацію природних вод - посилений розвиток водоростей та утворення планктону.

У зв'язку з цим та з урахуванням інших причин, як один з альтернативних шляхів розвитку сільського господарства пропонується повна відмова від застосування мінеральних добрив - біологічне, або альтернативне землеробство. Як добриво, при цьому, пропонують використовувати рослинні рештки, гній, сидерати, широко практикувати вирощування бобових трав, застосовувати біологічні препарати для поліпшення азотфіксації, підвищення доступності елементів живлення з ґрунту, захисту від хвороб і шкідників. Проте, далеко не завжди за біологічного землеробства вдається отримати якіснішу продукцію. Крім того, врожайність культур знижується на 20 - 30 % і більше. При цьому, вирощена продукція значно дорожча, а відмова від мінеральних добрив призведе до катастрофічного скорочення виробництва продуктів харчування.

Нітрати - обов'язковий учасник колообігу азоту в природі, джерело азотного живлення рослин. Найбільше нітратів в організм людини надходить з питною водою й овочами, дещо менше — з молоком, м'ясом і соками. В середньому 70-80 % нітратів припадає на овочеві культури, причому не безпечнішими є тепличні овочі, 10-15 — на питну воду, решта (від 5 до 20 %) - на м'ясопродукти, молоко, фрукти і соки. За ранніх строків сівби в салаті головчастому накопичується до 10 000 мг/кг нітратів, у шпинаті — до 2000 мг/кг. За даними Всесвітньої організації охорони здоров'я, допустима межа надходження нітратів в організм людини становить 3,5 мг/кг маси за добу. Найкраще, коли добова норма для дорослої людини не перевищує 100-140 мг. Всесвітньою організацією охорони здоров'я встановлено гранично допустиму концентрацію (ГДК) для нітратного азоту в питній воді для помірних широт — 22 мг/л. ГДК нітратів у овочах і фруктах для незахищеного ґрунту, мг/кг сирого продукту: картопля — 150, капуста пізня, кабачки, цибуля, кріп, петрушка — 1500, морква — 200, буряки столові — 1400, яблука, груші, кавуни — 60, диня - 90; для овочів захищеного ґрунту: помідори — 300, огірки — 400, салат, щавель, кріп, петрушка — 3000, цибуля на перо — 800. ГДК нітратів у воді й молоці — 45 мг/л.

За здатністю до накопичення нітратів сільськогосподарські культури умовно поділяють на кілька груп: з низьким вмістом (до 150 мг/кг): горох, помідор, перець, часник, цикорій салатний, картопля, цибуля, морква; з середнім вмістом (150 - 700 мг/кг): огірок, капуста білоголова (пізня), цибуля на перо у незахищеному ґрунті, гарбузи, кабачки, патисони, цибуля-порей, щавель, морква рання, корені петрушки, цибуля - батун, капуста цвітна (восени); з високим вмістом (700 - 1500 мг/кг): капуста білоголова і цвітна (рання), буряк столовий, капуста броколі, селера коренева, бруква, кольрабі, ревінь, хрін, редиска і редька в незахищеному ґрунті, цибуля на перо (теплична); з дуже високим вмістом (1500 - 4000 мг/кг): салат, капуста савойська і пекінська, буряк листковий, шпинат, кріп, редиска (теплична), листки буряку столового, петрушки і селери.

Залежно від геологічного походження й географічного розміщення фосфорні руди містять різні кількості домішок важких металів і токсичних елементів. Так, вміст кадмію у фосфорній сировині (апатити, фосфорити) із різних країн світу коливається в досить широких межах: у матеріалах із США - 8 мг/кг, Марокко - 22, Ізраїлю - 23, Того - 7, Сенегалу - 75, Тунісу - 30, Південної Африки — 3, Сирії — 8 мг/кг.

Деяка кількість важких металів надходить у ґрунт із гноєм та іншими органічними добривами, а також при використанні на добриво відходів промисловості та осадів стічних вод. Одне з джерел забруднення навколишнього природного середовища — втрати під час виробництва, транспортування та несприятливого зберігання добрив.

Важкі метали можуть бути провідним екологічним чинником, який визначає спрямованість і характер розвитку агробіоценозів. Масове забруднення ними навколишнього природного середовища призводить до чітко виражених токсикозів рослин, тварин і людини, тому їх порівняно легко діагностувати.

Значної шкоди навколишньому природному середовищу може завдавати безсистемне використання безпідстилкового гною, гноївки та інших відходів тваринництва. У більшості випадків неправильне зберігання і використання безпідстилкового гною негативно впливає на атмосферу. Так, під час зберігання його у відкритих резервуарах виділяються і надходять в атмосферу аміак, молекулярний азот та інші сполуки. Відбуваються також розкладання органічних речовин та погіршення навколишнього природного середовища внаслідок утворення газоподібних продуктів із неприємним запахом.

Комплексне вирішення екологічних проблем у сільському господарстві ґрунтується на вивченні різних ґрунтово-кліматичних агробіоценозів та їх основних компонентів - ґрунтів, рослин, атмосфери, води, тварин, людини. Це називають агроекологічним моніторингом.