Глава 2. Экологические проблемы сельскохозяйственного производства
Интенсивное развитие сельского хозяйства оказывает существенное влияние на окружающую среду, которое проявляется, в основном, в виде негативных внешних эффектов. Рост распаханности земельных угодий, увеличение парка тракторов и сельскохозяйственных машин, внесение большого количества органических и минеральных удобрений, применение средств защиты растений ведет к загрязнению почвы, водоемов и атмосферы вредными компонентами, химическими веществами, выхлопными газами [7].
Сельское хозяйство производит большее воздействие на природную среду, чем любая другая отрасль народного хозяйства. Причина этого в том, что сельское хозяйство требует огромных площадей. В результате меняются ландшафты целых континентов. На Великой Китайской равнине рос субтропический лес, переходя на севере в уссурийскую тайгу, а на юге в джунгли Индокитая. В Европе агроландшафт вытеснил широколиственные леса, на Украине поля заменили степи [28].
Сельскохозяйственные ландшафты оказались неустойчивы, что привело к ряду локальных и региональных экологических катастроф. Так неправильная мелиорация стала причиной засоления почв и потери большей части возделываемых земель Междуречья, глубокая распашка привела к пыльным бурям в Казахстане и Америке, перевыпас скота и земледелие к опустыниванию в зоне Сахель в Африке [28].
2.1. Деградация почв
Почва – один из важнейших компонентов окружающей среды. Все основные ее экологические функции замыкаются на одном обобщающем показателе – почвенном плодородии. Отчуждая с полей основной (зерно, корнеплоды, овощи и др.) и побочный урожай (солома, листья, ботва и др.), человек размыкает частично или полностью биологический круговорот веществ, нарушает способность почвы к саморегуляции и снижает ее плодородие. Даже частичная потеря гумуса и, как следствие, снижение плодородия, не дает почве возможность выполнять в полной мере свои экологические функции, и она начинает деградировать, т.е. ухудшать свои свойства [12] К деградации почв ведут и другие причины, в основном антропогенного характера (рис. 3).
Рисунок 3. Разрушение почв может происходить под воздействием различных причин [22]
Почвенный углерод – это важный компонент глобального углеродного цикла и управление им может значительно повлиять на концентрацию углекислого газа в атмосфере. При превращении лесов в сельскохозяйственные земли содержание почвенного углерода резко изменяется. Превращение лесов в культивируемые земли приводит к потерям в среднем 30% почвенного углерода. Превращение лесов в поля обычно приводит к потере почвенного углерода, хотя величина изменения может быть завышенной во многих исследованиях. В противоположность этому, превращение лесов в некультивируемые земли обычно не приводит к потере почвенного углерода, хотя в некоторых местах может теряться или накапливаться углерод в зависимости от специфических обстоятельств, таких как использование удобрений или удаление растительных остатков [16].
В наибольшей степени деградируют почвы агроэкосистем. Причина неустойчивого состояния агроэкосистем обусловлена их упрощенным фитоценозом, который не обеспечивает оптимальную саморегуляцию, постоянство структуры и продуктивности. И если у природных экосистем биологическая продуктивность обеспечивается действием естественных законов природы, то выход урожая в агроэкосистемах всецело зависит от человека, уровня его агрономических знаний, технической оснащенности, социально-экономических условий и т.д. Защита почв – неотложная проблема многих государств и регионов мира [7].
Сильнее всего на природную среду воздействует земледелие. Его факторы воздействия таковы:
сведение природной растительности на сельхозугодья, распашка земель;
обработка (рыхление) почвы, особенно с применением отвального плуга;
применение минеральных удобрений и ядохимикатов
мелиорация земель.
И сильнее всего воздействие на сами почвы:
разрушение почвенных экосистем;
потеря гумуса;
разрушение структуры и уплотнение почвы;
водяная и ветровая эрозия почв.
Эти негативные процессы приводят к потере потенциала продуктивности сельскохозяйственных земель во многих странах мира, в том числе и России. Рассмотрим основные причины возникновения указанных проблем и пути их решения.
Эрозия почвы – процесс разрушения почвенного покрова и сноса его частиц потоками воды или ветром. В естественных условиях эрозия почвы происходит постоянно, но, как правило, не принимает угрожающих размеров. В результате хозяйственного воздействия эрозия почвы может резко усилиться и привести к значительному снижению плодородия почв. Главная причина развития эрозии – неправильное использование земельной территории человеком, особенно там, где природные условия предрасположены к проявлению эрозионных процессов. Поэтому принято различать социально – экономические и природные условия развития эрозии (рис. 4) [7].
Рисунок 4. Основные причины и виды эрозии почв [23]
Эрозия почвы наносит огромный ущерб сельскому хозяйству. Особо опасные размеры она приняла в США [15] и Канаде, где длительное время практиковалось использование земли «на истощение», а также в странах Средиземноморья, Ближнего Востока, в Индии, Пакистане, Китае, Южной Африке и Австралии (рис. 5). 40% пахотных земель в мире подвержены эрозии.
Рисунок 5. Карта глобальной эрозии почв [20]
Водная эрозия – разрушение и смыв почвы под действием водных потоков, она причиняет наибольший ущерб почвенным ресурсам. Общая площадь смытых земель превышает 3,3 млн. га и в ближайшее время она может удвоиться за счет развития смыва на потенциально опасных в эрозионном отношении почвах Центрально-черноземных областей России. Экологический ущерб от водной эрозии огромен. Вода, стекая, образует промоины и овраги, вымывает из земли органические и минеральные вещества. Это приводит к потере плодородия почвы, образованию оврагов, в которых невозможна никакая сельскохозяйственная деятельность. В России водной эрозии подвержены Центрально-чернозёмные области, Поволжье, Дон, Северный Кавказ, в горные районы Закавказья [7].
Ветровая эрозия (дефляция) почв – выдувание и перенос мельчайших почвенных частиц ветром. Наиболее сильные и продолжительные ветра перерастают в пыльные (черные) бури. За несколько дней они способны полностью снести верхний плодородный слой почвы мощностью до 30 см. Пыльные бури загрязняют водоемы, атмосферу, негативно влияют на человеческое здоровье. Ветровая эрозия угрожает Южной Сибири, Заволжью, проявляется чаще на почвах лёгкого гранулометрического состава. Сейчас самым большим источником пыли являются высохшие земли Аральского моря [7].
Опустынивание. Одним из глобальных проявлений деградации почв, да и всей окружающей среды в целом, является опустынивание – процесс необратимого изменения почвы и растительности и снижения биологической продуктивности, который может привести к полному разрушению биосферного потенциала и превращению территории в пустыню (рис. 6).
Рисунок 6. Опустынивание – смерть ландшафта [19]
На сегодняшний день 2,1 миллиарда человек или примерно 40% населения мира проживают в пустынных или засушливых районах. 90% этого населения – жители развивающихся государств. Опустыниванием затронуто 3,6 миллиарда гектаров земли во всем мире – 25% суши. На сегодняшний день риску деградации подвержены земли в 110 странах. Ежегодно в результате опустынивания теряется 12 миллионов гектаров земли – территория по площади равная Болгарии (рис. 7).
Рисунок. 7. Карта глобального опустынивания [24]
Причины и основные факторы опустынивания различны. Как правило, к опустыниванию приводит сочетание нескольких факторов, совместное действие которых резко ухудшает экологическую ситуацию. Засуха может вызывать опустынивание, но главной причиной, как правило, является человеческая деятельность – чрезмерная обработка пахотных земель, перевыпас скота, обезлесение и плохая ирригация. На территории, подверженной опустыниванию, ухудшаются физические свойства почв, гибнет растительность, засоляются грунтовые воды, резко падает биологическая продуктивность, а следовательно, подрывается и способность экосистем восстанавливаться [7].
Особенно опасное положение сложилось в Африке в зоне Сахеля (Сенегал, Нигерия, Буркина Фасо, Мали и др.) – переходной биоклиматической зоне шириной до 400 км между Сахарой на севере и саванной на юге (рис. 8)
Причина катастрофического положения в Сахеле обусловлена сочетанием двух факторов:
1) усилением воздействия человека на природные экосистемы с целью обеспечения продовольствием быстро растущего населения;
2) изменившимися метеоусловиями (длительными засухами).
Рисунок 8. Схема местоположения Сахеля [27]
На рисунке 8 показано, что в опасности находится 46 % территории, из которых для 55 % риск оценивается как высокий или очень высокий
Интенсивный выпас скота приводит к чрезмерной нагрузке на пастбища и уничтожению и без того разреженной растительности с низкой естественной продуктивностью. Опустыниванию способствует также массовое выжигание прошлогодней сухой травы, особенно после периода дождей, интенсивная распашка, снижение уровня грунтовых вод и др. Выбитая растительность и сильно разрыхленные почвы создают условия для дефляции поверхностного слоя земли. Изменение природных комплексов и их деградация особенно заметны в период засух [7].
Прибалхашье, Черные земли в Калмыкии и Астраханской области, Дагестан и некоторые другие районы. Все они относятся к зонам экологического бедствия, и их состояние продолжает ухудшаться. В результате непродуманной хозяйственной деятельности на этих территориях произошли глубокие необратимые деградационные изменения природной среды и в первую очередь ее почвы. Это повлекло за собой резкое снижение биоразнообразия и разрушение природных экосистем. Стала очевидной необходимость планомерного перевода сельскохозяйственного производства на эколого-адаптивную основу, предусматривающую развитие комплексной мелиорации [7].
Разрушение почвенной структуры. Уплотнение почвы является одной из основных проблем, стоящих перед современным сельским хозяйством. Чрезмерная механизация полевых работ, короткие севообороты, интенсивный выпас скота и неправильное управление почвой приводит к её уплотнению. Уплотнение почвы происходит в различных климатических зонах и на разных почвах. Оно усугубляется низким содержанием в почве органического вещества и использованием пашни и пастбищ при высокой влажности почвы [14].
На огромных площадях сельхозугодий произошло разрушение структуры пахотного горизонта и почвы характеризуются неудовлетворительным структурным состоянием, что резко снижает их плодородие. Вместо генетического профиля почвы, с набором закономерно сменяющих друг друга по глубине горизонтов, формируется пахотный горизонт, отделенный плотной плужной подошвой от остального профиля почвы, почти не участвующего в обмене веществ агроэкосистемы [13].
Комплексная чрезмерная механизация полевых работ привела к переуплотнению почв. В настоящее время деформация почв под влиянием тяжелой техники распространилась до глубины 1 м. Так по результатам исследований, на дерново-подзолистой почве выявлено, что плотность почвы после однократного прохода трактора МТЗ 1221 в следах, значительно возросла по сравнению с неуплотненными участками.
Под влиянием тяжелой техники происходит угнетение активности почвенных микроорганизмов, а плотность почвы возросла на 20-40 %, что снизило водопроницаемость в 2-3 раза. Последствием уплотнения почвы является также увеличение её удельного сопротивления, т.е. усилий, затрачиваемых на подрезание пласта, его оборот и трение почвы о рабочую поверхность орудия. Вследствие этого возрастает расход топлива, в странах СНГ его перерасход составляет примерно 1 млн тонн в год. Высокая плотность почвы резко ухудшает её агрофизические свойства, водно-воздушный и питательный режимы, способствует развитию эрозии. Общие потери урожая сельскохозяйственных культур, обусловленные уплотнением почвы, на черноземах могут достигать 45% в год, а в целом снижают урожайность на 25 - 30%. По подсчетам немецких специалистов из-за переуплотнения почв не добирается около 50% урожая [13].
Почвенное уплотнение демонстрирует изменения тех почвенных свойств, которые контролируют эмиссию парниковых газов, поверхностные стоки загрязняющих веществ, движение нитратов и пестицидов в грунтовые воды. Почвенное уплотнение так же влияет на эффективность удобрений и использование энергии в сельскохозяйственной продукции, оно может дополнительно ухудшить окружающую среду [17].
Дегумификация. В числе других сложных проблем сохранения и повышения продуктивности почв важнейшее значение приобретает сокращение потерь гумуса в пахотном горизонте – дегумификация. Биологическую производительность почвы можно оценивать по содержанию органических веществ в почве (рис. 11). На это влияют водные, воздушные и тепловые процессы в гумусе почвы. Микро- и макрофауна почвы являются показателями плодородности почвы. При обработке почвы в сельском хозяйстве в неё вводится кислород и повышается средняя температура почвы, что способствует более стремительному разложению органических веществ. Содержание органических веществ снижается и потому, что эрозия приводит к деградации гумуса почвы [13].
Рисунок 11. Состав веществ почвы (по Орлову Д.С.) [29]
Длительная распашка привела к уменьшению содержания и запасов гумуса в метровой толще не смытых почв в среднем на 20-25%. Процесс дегумификации пахотного горизонта усилился в последнее время. Средние потери гумуса за последние 15 лет в не смытых почвах составили 9,5 % от исходного запаса. Катастрофические потери гумуса наблюдаются на эродированных почвах. Среднее содержание гумуса в пахотном горизонте их сократилось в слабосмытых почвах на 15-20%, среднесмытых – на 28-40% и сильносмытых – на 47-55% по отношению к не смытым аналогам. Дегумификация снижает производительность почв, так как потеря 10 т/га гумуса сопровождается потерей потенциальной продуктивности почв на 2ц/га зерна [13].