CC BY
0Процессы и машины агроинженерных систем
УДК 631.3 Код ВАК 4.3.1
ПИТАТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС ПОЧВЫ КАК СЛЕДСТВИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ НОРМ ХИМИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ
К.М.Потетня1* 1ФГБОУ ВО Уральский ГАУ, Екатеринбург, Россия *E-mail: gto992@mail.ru
Аннотация. В этом обзоре, направленном на выявление проблем окружающей среды и здоровья, вызванных неправильным внесением удобрений, рассматриваются проблемы чрезмерного применения химических удобрений. Раскрываются факторы влияющие на микроорганизмы и их истощение в процессе применения химических удобрений. Выявляются способы и средства позволяющие решить проблемы современных биоактивных удобрений. Приводятся факторы влияющие на качество применения удобрения и последствия его не своевременного применения.
Ключевые слова: химические удобрения, органические удобрения, полезные вещества, калий, фосфор, азот.
SOIL NUTRITIONAL STRESS AS A CONSEQUENCE OF THE USE OF UNPROPORTIONATE
RATES OF CHEMICAL FERTILIZERS K.M.Potetnya1* 1Ural State Agrarian University, Yekaterinburg, Russia *E-mail: gti992@mail.ru
Annotation. This review, aimed at identifying environmental and health problems caused by improper fertilization, addresses the problems of overuse of chemical fertilizers. The factors influencing microorganisms and their depletion in the process of applying chemical fertilizers are revealed. Methods and means allowing to solve the problems of modern bioactive fertilizers are revealed. The factors affecting the quality of fertilizer application and the consequences of its untimely application are given.
Keywords: chemical fertilizers, organic fertilizers, useful substances, potassium, phosphorus, nitrogen.
Постановка проблемы (Introduction)
Невероятные достижения были достигнуты в сельскохозяйственном производстве в мире, но
многие грандиозные задачи по обеспечению продовольственной безопасности и экологической
устойчивости остаются нерешенными. Химические удобрения используются в чрезмерных и
непропорциональных количествах для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
Поскольку доступность питательных веществ становится ограничителем роста и продуктивности
растений, устойчивая продуктивность сельскохозяйственных культур зависит от постоянного
обновления. Для увеличения сельскохозяйственного производства и поддержания плодородия почвы
необходимо применение химических удобрений. Однако недостаточное или чрезмерное внесение 35
удобрений не гарантирует стабильного роста урожайности, что может привести к низкой эффективности использования питательных веществ. Сегодня ключевыми целями являются изучение эффективного использования химических веществ, снижение производственных затрат и эффективное использование удобрений.
Почва - очень важный и чувствительный ресурс нации. Для удовлетворения растущих общественных потребностей и продвижения продукции растениеводства использование большого количества химических веществ в почве в виде удобрений, пестицидов, фунгицидов, инсектицидов, нематицидов и гербицидов от сорняков, наряду с интенсивными методами орошения, помогло достичь цели на определенном этапе. Однако снижение урожайности произошло, несмотря на внесение удобрений. Токсичные химические вещества влияют на жизнедеятельность полезных почвенных микроорганизмов, которые действительно отвечают за поддержание плодородия почвы. Более того, эти химические вещества прямо или косвенно негативно воздействуют на грунтовые воды, воздух, а также на здоровье людей и животных. Поэтому сохранение здоровья почвы очень важно. Отказ от химических удобрений и использование натуральных удобрений, таких как биоудобрения, биогумус, сидераты и биопестициды, а также питание почвы и окружающей среды, могут быть устойчивым подходом к повышению урожайности сельскохозяйственных культур.
Чтобы повысить качество урожая и удовлетворить мировой спрос на продовольствие, химические препараты, вводимые в качестве удобрений и пестицидов в соответствующем количестве, важны для управления продовольственными ресурсами в сельском хозяйстве. С другой стороны, при использовании в чрезмерном и непропорциональном количестве существуют вредные аспекты неорганических удобрений и пестицидов, которые нельзя игнорировать. Они длительное время сохраняются в почве и атмосфере и влияют на различные биотические и абиотические факторы. Они негативно влияют на почву, микрофлору, другие организмы, здоровье человека и окружающую среду. Чрезмерные количества агрохимикатов, промышленных химикатов, микроэлементов и городских отходов попадают в почву через атмосферное осаждение. Загрязнение почвы приводит к снижению биоразнообразия и плодородия почвы и, следовательно, ухудшает здоровье почвы, препятствуя распаду органического вещества почвы и изменению круговорота питательных веществ. Таким образом, загрязнение почвы снижает урожайность сельскохозяйственных культур и влияет на безопасность пищевых продуктов, особенно когда биоконцентрированные загрязнители попадают в организмы в рамках пищевых цепочек.
Через свои корни растения также могут поглощать загрязнители почвы или поглощать их через свои листья. Длительное употребление инфицированных пищевых продуктов, в том числе людьми, может вызвать заболевание и привести к гибели. В частности, урбанизация вызывает загрязнение почвы в пригородных районах, которым приходится иметь дело с осаждением загрязняющих веществ в городском воздухе и удалением твердых бытовых отходов. Кислотные дожди снижают стабильность,
влияют на почвенные микроорганизмы и активность ферментов, усиливают эрозию почвы и подвижность питательных веществ и, в свою очередь, способствуют потере питательных веществ. Загрязнение почвы также связано с качеством воды, используемой для целей орошения, и с наводнениями. Промышленные и городские сточные воды быстро используются для орошения, чтобы удовлетворить растущий спрос на питьевую воду. Это особенно распространено в странах, сталкивающихся с быстрыми темпами урбанизации, таких как Китай, где загрязненная вода и сточные воды орошают 3,62 миллиона га сельскохозяйственных угодий. Из-за накопления в атмосфере промышленных отходов и использования сточных вод для орошения загрязнение почвы микроэлементами распространено в пригородных районах. Из-за высокой чувствительности почвенных микроорганизмов к чрезмерным концентрациям микроэлементов они ответственны за снижение биоразнообразия и плодородия почвы. Более того, из-за их тесного сродства с органическим веществом микроэлементы накапливаются в поверхностных органических отложениях и пассивно поглощаются растениями потоком воды.
Интенсивное возделывание и монокультура способствовали значительному увеличению использования агрохимикатов и зависимости от них. Кроме того, поскольку их поведение в окружающей среде и, особенно, в пищевой цепи до конца не изучено, судьба метаболитов пестицидов вызывает озабоченность. Рост населения повышает риск загрязнения почвы. Таким образом, защита пищевых продуктов находится под угрозой из-за присутствия токсинов и связанных с ними рисков биоаккумуляции. Загрязнение почвы приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур и превращению продуктивных сельскохозяйственных угодий в непродуктивные районы за счет снижения плодородия почв и биоразнообразия. В результате это влияет на доступность продовольствия и стабильность аспектов продовольственной безопасности. Доступность продовольствия осложняется масштабами и пространственным распределением загрязнения почвы, которое, в частности в городских и пригородных районах, ограничивает доступ к продовольствию. Таким образом, загрязнение почвы представляет опасность. [2]
Методология и методы (Methods)
Здоровые почвы: необходимое условие устойчивой продовольственной безопасности. Здоровье почвы определяется, как способность живой почвы функционировать в пределах естественных или регулируемых экосистемных границ, сохранять продуктивность растений и животных, сохранять и улучшать качество воды и воздуха, а также способствовать здоровью растений и животных. Таким образом, здоровье почвы является многогранной и целостной жизненно важной характеристикой почвы и формирует основу для производства здоровых продуктов питания, тем самым способствуя обеспечению продовольственной безопасности на местном и глобальном уровнях. К 2050 году необходимо добиться 60-процентного роста мирового производства продуктов питания и связанных с ними экосистемных услуг. Но из-за эрозии почвы, потери питательных веществ, засоления, уплотнения и загрязнения треть мировых почв в настоящее время подвергается деградации от умеренной до крайней
степени. Почвы, обедненные питательными веществами, приводят к системным проблемам с питанием. Дефицит питательных микроэлементов является серьезной причиной заболеваемости и смертности и затрагивает более двух миллиардов человек. Белково-энергетическая недостаточность возникает из-за нехватки пищи и поступления в организм микроэлементов (например, железа, лития, магния, цинка, меди, йода) из сельскохозяйственных культур с низкой концентрацией в тканях, что напрямую связано с бедными питательными веществами почвами.
Воздействие химических веществ, используемых в сельском хозяйстве, на окружающую среду. Поскольку химическое удобрение увеличивает рост и силу растения, оно, таким образом, отвечает мировой продовольственной безопасности, но растения, выращенные таким образом, не развивают хороших характеристик, таких как хорошая корневая система, система побегов, питательные характеристики, и не успеют должным образом вырасти и созреть. Вредное воздействие химических удобрений само по себе начинается с переработки химических веществ, продуктами и побочными продуктами которыми являются определенные вредные химические вещества или газы, вызывающие загрязнение воздуха, такие как КШ, CO2, CH4 и т.д. И это приведет к загрязнению воды, когда отходы промышленных предприятий будут утилизироваться неочищенными в близлежащих водоемах. Это также связано с наиболее разрушительным воздействием накопления химических отходов в водоемах, т.е. эвтрофикацией воды. И его постоянное использование при нанесении на почву ухудшает здоровье и качество почвы, тем самым вызывая загрязнение почвы. Поэтому давно пора осознать, что наш климат и биоразнообразие истощаются из-за этого вклада растениеводства. Следовательно, его непрерывное использование без принятия каких-либо мер по сокращению или разумному использованию однажды приведет к истощению всех природных ресурсов и поставит под угрозу всю жизнь на земле. Неблагоприятное воздействие этих синтетических химических веществ на здоровье человека и окружающую среду может быть уменьшено или устранено путем внедрения новых сельскохозяйственных технологических методов, включая использование органических материалов, таких как навоз, биоудобрения, биопестициды, удобрения с замедленным высвобождением и наноудобрения и т.д., и отказа от интенсивного культивирования с использованием химических веществ.
Влияние на уплотнение и деградацию почвы
Уплотнение почвы является важным компонентом синдрома деградации земель и является серьезной проблемой для развитого сельского хозяйства, отрицательно влияющей на почвенные ресурсы. По мере уплотнения почвы ее состав изменяется за счет дробления агрегатных единиц, уменьшения размера поровых промежутков между частицами почвы, уменьшения уплотнения из-за использования тяжелой техники, сокращения использования органических удобрений, повторного использования химических удобрений и вспашки в течение нескольких лет на одной и той же глубине. Одной из основных причин уплотнения является использование удобрений в большем количестве, чем рекомендовано, при длительном и интенсивном посеве. Уплотнение почвы вызывает такие проблемы,
как чрезмерная прочность почвы, ограничение роста корней, плохая аэрация, плохой дренаж, сток, эрозия и ухудшение состояния почвы и т.д. Такие модификации приводят к снижению проницаемости, гидравлической проводимости и подпитки грунтовых вод. Чрезмерное уплотнение почвы препятствует росту корней, и это снижает способность растений поглощать питательные вещества и общую пористость, что приводит к увеличению плотности почвенного покрова и устойчивости к проникновению. Сообщается, что уплотнение снижает как рост корней, так и урожайность более чем на 80 %. Нитрификация уменьшается на 50% по мере увеличения плотности почвенного покрова и уменьшения потребления растениями N, P и Zn из почвы. Большую озабоченность вызывает снижение биологической активности в почве из-за уплотнения. Наиболее важным элементом стабильности структуры почвы является органическое вещество. Почва, которая имеет высокое содержание органического вещества и процветает с почвенными видами, более устойчива к уплотнению и может гораздо лучше восстанавливаться после незначительного повреждения уплотнением. Чрезмерное использование удобрений привело к развитию непрерывного монокультурного земледелия, накоплению минеральных солей удобрений в почве, которые образуют уплотненные слои в почве и вызывают долгосрочную деградацию почвы.
Непропорциональное использование химикатов и питательных веществ в почве
Почва является домом для почвенных организмов, которые являются механизмом восстановления питательных веществ и предлагают множество других экологических услуг. Чрезмерное использование химических удобрений может способствовать подкислению почвы и образованию почвенной корки, тем самым уменьшая содержание органических веществ, гумуса, полезных видов, останавливая рост растений, изменяя рН почвы, размножая вредителей и даже приводя к выбросу парниковых газов. Кислотность почвы снижает потребление растениями фосфатов, повышает концентрацию вредных ионов в почве и тормозит рост растений. Потеря почвой гумуса снижает ее способность хранить питательные вещества. Атмосфера загрязняется выбросами парниковых газов в результате избыточного использования азотных удобрений. Со временем азотные удобрения, вносимые в поля в больших количествах, нарушают баланс между тремя макроэлементами, азотом, фосфором и калием, что приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур. Песчаные почвы гораздо более уязвимы к подкислению почвы, чем глинистые. Глинистые почвы обладают потенциалом амортизировать избыточное воздействие химических удобрений. Повторное применение химических удобрений может привести к накоплению в почве токсичных тяжелых металлов, таких как мышьяк, кадмий и уран. Эти токсичные тяжелые металлы не только загрязняют землю, но и накапливаются в продовольственном зерне, фруктах и овощах. Применение удобрений без рекомендации по тестированию почвы может привести к таким последствиям, как деградация почвы, дисбаланс питательных веществ, разрушение структуры почвы, увеличение объемной плотности.
Результаты (Results)
При сборе сельскохозяйственных культур уровень питательных веществ в почве со временем снижается, и эти питательные вещества пополняются либо за счет естественного разложения, либо за счет добавления удобрений. Поэтому основным компонентом современного сельского хозяйства на сегодняшний день являются удобрения. В то время, как химические удобрения являются основной причиной надлежащего производства сельскохозяйственных культур для населения мира, их чрезмерное использование создает серьезные проблемы для нынешнего и будущих поколений - загрязненный воздух, вода и почва, деградация земель и увеличение выбросов парниковых газов. Синтетические удобрения вредны не только для нашего климата, но и для людей, домашнего скота и микробных форм жизни. Настало время, чтобы все осознали пагубные последствия использования избыточного количества химических удобрений и предприняли шаги по минимизации использования химических удобрений и пестицидов, заменив их другими органическими модификациями, такими как органические удобрения, которые не только обеспечивают растения необходимыми питательными веществами, но и сохраняют качество почвы для последующих культур. В настоящее время разрабатывается так много других технологий, таких как удобрения, с медленным или контролируемым высвобождением, приллированные или гранулированные удобрения, ингибиторы нитрификации, наноудобрения и т. д., все это многообещающие альтернативы, которые могут быть использованы для решения этих серьезных проблем и сохранения, как нашей окружающей среды, так и экосистемы. Почвенные микроорганизмы играют важную роль в сохранении плодородия почвы и работе экосистем. Корни растений выделяют в ризосферу углеродсодержащий органический материал, который является источником углерода, азота и энергии, необходимых для роста и размножения почвенных микроорганизмов. Вокруг корней растений скапливается большое количество микробов, что приводит к различию состояния питательных веществ в почве и состава почвенной микробной популяции. Областью наибольшего контакта между корнями растений, почвой и микроорганизмами является ризосфера. Микробы ризосферы играют важную роль в круговороте почвенного материала и переносе энергии. Внесение удобрений — важная управленческая мера в сельскохозяйственном производстве, которая не только способствует росту и урожайности культур, но и отрицательно влияет на почвенные микроорганизмы. Широкое использование химических удобрений в настоящее время приводит к снижению плодородия почвы и ряду экологических проблем, в то время как биоорганические удобрения не только повышают плодородие почвы за счет внесения полезных микроорганизмов и органических материалов, но и устраняют многие экологические проблемы, вызванные химическими удобрениями. Исследования показали, что различные способы внесения удобрений оказывают значительное влияние на структуру микробной биомассы почвы и сообщества. Различные применения удобрений изменяют физические и химические свойства почвы, что, в свою очередь, влияет на структуру почвенного бактериального сообщества. Предыдущие исследования показали, что рН, нитраты, доступные фосфаты и калий являются важными почвенными факторами, влияющими на структуру микробного сообщества. Путем прямого воздействия на качество питательных
веществ в почве внесение удобрений влияет на микробное разнообразие почвы. В сочетании с другими минеральными удобрениями длительное применение азотных удобрений влияет на круговорот азота и связанные с ним бактериальные популяции. Многократное чрезмерное использование химических удобрений может оказать пагубное воздействие на качество почвы и состав почвенной микробной популяции. Длительное использование химических удобрений может резко снизить рН почвы, что тесно связано с сокращением бактериального разнообразия и значительными изменениями в составе бактериальной популяции. [1,3]
Поскольку земли для сельского хозяйства ограничены и даже уменьшаются с течением времени, увеличение численности населения во всем мире представляет серьезную угрозу продовольственной безопасности. Поэтому важно, чтобы производительность сельского хозяйства была значительно повышена в течение следующих нескольких десятилетий, чтобы удовлетворить высокий спрос на продовольствие со стороны растущего населения. Кроме того, чрезмерная зависимость растениеводства от химических удобрений, в конечном счете, очень серьезно сказывается как на экологии окружающей среды, так и на здоровье человека. Биоудобрение представляет собой материал, который содержит живые микроорганизмы, которые колонизируют ризосферу или внутреннюю часть растений при нанесении на семена, растения или почву и стимулируют рост растений за счет увеличения снабжения растения-хозяина питательными веществами. Использование микробов в качестве биоудобрений в сельскохозяйственном секторе считается альтернативой химическим удобрениям из-за их широкого потенциала для увеличения производства сельскохозяйственных культур и безопасности пищевых продуктов. Обширная работа над биоудобрениями выявила их способность обеспечивать культуру необходимыми питательными веществами в достаточных количествах для повышения урожайности. Биоудобрения широко используются для ускорения определенных микробных процессов, которые повышают доступность питательных веществ, которые могут быть легко усвоены растениями. За счет фиксации атмосферного азота и растворения нерастворимых фосфатов биоудобрения повышают плодородие почвы и производят в почве вещества, стимулирующие рост растений. Биоудобрения поощряют естественную биологическую систему мобилизации питательных веществ, которая значительно повышает плодородие почвы и, в конечном счете, урожайность сельскохозяйственных культур. Ожидается, что биоудобрения станут здоровой альтернативой химическим добавкам и в значительной степени смягчат экологические нарушения. Биоудобрения по своей природе экономичны, экологичны, и их длительное использование значительно повышает плодородие почвы. Было заявлено, что использование биоудобрений увеличивает содержание белка, незаменимых аминокислот, витаминов и азотфиксацию, тем самым повышая урожайность сельскохозяйственных культур примерно на 10-40%. Преимущества использования биоудобрений включают недорогие источники питательных веществ, отличные поставщики микрохимикатов и микроэлементов, органических веществ, секрецию гормона роста и противодействие неблагоприятному воздействию химических удобрений. Микробы являются
важными компонентами почвы и играют решающую роль в различных биотических процессах почвенной экосистемы, которые делают почву динамичной для мобилизации питательных веществ и устойчивой для производства сельскохозяйственных культур. [1]
Физическое плодородие относится к физическим свойствам почвы, ее составу, текстуре, влагоудерживающим свойствам, способу поступления воды к корням растений и тому, как эти корни проникают в почву. Биологическое плодородие относится к видам и их способности играть важную роль, которые обитают в почве. Состав почвы, ее кислотность или щелочность и температура окружающей среды - это лишь некоторые из нескольких переменных, которые определяют степень доступа растений к питательным веществам. Относительное значение этих переменных зависит от питательных веществ, почвы и растения. Прежде всего, структура почвы определяет, насколько хорошо почва удерживает питательные вещества и воду. Глины и почвы, содержащие органические вещества, сохраняют питательные вещества и воду гораздо лучше, чем песчаные почвы. Микробное сообщество почвы также будет находиться под сильным влиянием структуры почвы. Если почва не позволяет этим видам выживать, растения, которые полагаются на бактерии или грибы для поглощения питательных веществ, не будут расти. До недавнего времени внесение удобрений было наиболее часто используемым методом лечения дефицита питательных веществ. Поскольку потребности растений в питательных веществах варьируются в течение жизненного цикла растения, выбор времени также важен. Действие закона Либиха может затруднить идентификацию действительно дефицитных питательных веществ, поскольку правильное дефицитное питательное вещество может не быть непосредственно распознано по симптомам дефицита. Дополнительные удобрения практически не помогут, если отсутствуют необходимые структурные и биологические условия. Повышение жизнеспособности растений будет зависеть от улучшения структурного и биологического плодородия почвы. Неправильное внесение удобрений - это пустая трата времени и денег, но это также может иметь серьезные последствия для окружающей среды. [4]
Обсуждение и выводы (Discussion and Conclusion)
Все живые существа, так или иначе, уязвимы к широко распространенному и долгосрочному использованию химикатов в сельском хозяйстве в любой форме, такой как удобрения, пестициды и т. д. Сельскохозяйственная почва была разрушена экстенсивным и непропорциональным использованием химикатов, и для восстановления ее порядка будет нужно время. Хотя мы не можем полностью предотвратить неблагоприятное воздействие химических удобрений в любой момент времени, мы определенно можем уменьшить их воздействие, сводя к минимуму их использование и способствуя использованию биоудобрений. Биоудобрения не сократят использование химических удобрений, но улучшат качество почвы различными способами, такими как поддержание круговорота питательных веществ в почве, микробных сообществ почвы и т. д.
Библиографический список
1. Потетня К.М. Обзор целесообразности применения рабочих органов с одновременным внесеньем различных составов удобрений // В сборнике: Системная интеграция научных 8 знаний. Сборник трудов Международной научно-практической конференции, посвященной дню инженера-механика. 2020. С. 126-128.
2. Садов А.А., Потетня К.М., Устюгов А.Д., Носков А.И. Проект дистанционного комплекса измерения почвенных показателей как инструмент цифровизации сельского хозяйства // Научно-технический вестник технические системы в АПК. 2020. № 2 (7). С. 45-51.
3. Потетня К.М., Садов А.А., Вырова О.М., Панков Ю.В. Роль и виды удобрений в сельском хозяйстве // Научно-технический вестник технические системы в АПК. 2019. № 5 (5). С. 25-33.
4. Потетня К.М., Выровыа О.М. Тестирование и дезактивация загрязненных почв от гербицидных остатков // Научно-технический вестник технические системы в АПК. 2021. № 1 (9). С. 1119.
References
1. Potetnya K.M. Review of the feasibility of using working bodies with simultaneous application of various fertilizer compositions // In the collection: System integration of scientific 8 knowledge. Proceedings of the International Scientific and Practical Conference dedicated to the Day of the Mechanical Engineer. 2020. pp. 126-128.
2. Sadov A.A., Potetnya K.M., Ustyugov A.D., Noskov A.I. The project of a remote complex for measuring soil indicators as a tool for digitalization of agriculture // Scientific and Technical Bulletin of technical systems in agriculture. 2020. No. 2 (7). pp. 45-51.
3. Potetnya K.M., Sadov A.A., Vyrova O.M., Pankov Yu.V. The role and types of fertilizers in agriculture // Scientific and Technical Bulletin of technical systems in agriculture. 2019. No. 5 (5). pp. 25-33.
4. Potetnya K.M., Levy O.M. Testing and decontamination of contaminated soils from herbicidal residues // Scientific and Technical Bulletin of technical systems in AGRICULTURE. 2021. No. 1 (9). pp. 1119.
