Влияние химических веществ на агроэкосистемы (стр. 2 из 4)
Использование земельных угодий человеком всегда сопровождалось потерей продуктивных земель. По данным Б.Г. Розанова и др. (1989), за последние десять тысяч лет было потеряно 2000 млн. га (в среднем 0.2 млн. га в год). На последние 300 лет приходится потеря 700 млн. га (2.3 млн. га в год). За последние 50 лет выпали из использования 300 млн. га (6 млн. га в год). Таким образом, за период существования земледелия скорость потери возросла в 50 раз. Темпы потерь плодородных земель представлены на рис 1.
 |
Почвы являются центральным элементом агроэкосистем, и "отрицательная энергия" от антиэкологических энергетических субсидий действует, в первую очередь, именно на этот компонент. В большом числе как отечественных, так и зарубежных работ эрозия почв рассматривается как самый опасный результат сельскохозяйственного производства (Заславский, 1987; Карпачевский, 1987; Кузнецов, 1989; Котлярова, 1990; Толчельников, 1990). На территории бывшего СССР было эродировано уже 68% пахотных почв (Никонов, 1986), причем ежегодно эрозия уносит сегодня 3.6 млн. га. По данным
В.Г. Минеева (1988), недобор урожая на слабосмытых почвах составляет 10-20%, на среднесмытых - 30-50%, а на сильносмытых - 60-80% от урожая с неэродированных земель. В Республике Башкортостан количество эродированных земель составляет 48% от общей площади сельскохозяйственных угодий. Пахотный фонд республики эродирован на 60% площади (Комплексная программа..., 1990).
Деградация сельскохозяйственных ресурсов происходит и в результате накопления тяжелых металлов, пестицидов и других токсических веществ. С каждой тонной вносимого в почву фосфора попадает 160 кг фтора, который содержиться в фосфорных удобрениях, как примесь. Сырье для производства фосфорных удобрений содержит до 2 % стронция и кадмия (Минеев, 1988).
Д. К. Коулман и др. (1987) приводит данные о том, как влияют интенсивные системы обработки почвы на баланс минеральных элементов в почве. Интенсивная агротехника и увеличение доли пашни влечет за собой понижение содержания органического углерода и азота в почвах (табл. 2) (Коулман и др., 1987; Кант, 1988).
Таблица 2. Сравнительное содержание органического углерода и азота в почвах северной части великих равнин (США) под пастбищем, под пашней со стерневой мульчей и под чистым паром. (Коулман, 1987)
| Механический состав почвы | Пастбище | Севооборот пшеница - пар при минимальной обработке почвы | Севообороты пшеница - пар при интенсивной обработке почвы |
| Легкий | 6684/785* | 6017/757 | 4397/594 |
| Средний | 9218/1039 | 6574/816 | 6850/802 |
| Тяжелый | 9833/1102 | 9551/1067 | 8844/1015 |
* В числителе - углерод, в знаменателе - азот, г/см2 в слое почвы 45,7 см
III. Источники химического загрязнения агроэкосистем
В процессе своей хозяйственной деятельности человек производит различные вещества. Все производимые вещества с использованием как возобновимых, так и невозобновимых ресурсов можно разделить на четыре типа:
* исходные вещества (сырье);
* промежуточные вещества (возникающие или используемые в процессе производства);
* конечный продукт;
* побочный продукт (отход).
Отходы возникают на всех стадиях получения конечного продукта, а любой конечный продукт после потребления или использования становится отходам, поэтому конечный продукт можно назвать отложенным отходом. Все отходы попадают в окружающую среду и включаются в биогеохимический круговорот веществ в биосфере. Многие химические продукты включаются человеком в биогеохимический круговорот в масштабах на много превышающих естественный круговорот. Некоторые вещества, направляемые человеком в окружающую среду, раньше отсутствовали в биосфере (например, хлорфторуглероды, плутоний, пластмассы и др.), поэтому естественные процессы достаточно долго не справляются с этими веществами. Следствием является огромный вред наносимый организмам.
Исследованием влияния антропогенных химических веществ на биологические объекты окружающей среды занимается экотоксикология. Задачей экотоксикологии является изучение воздействия химических факторов на виды, живые сообщества, абиотические составляющие экосистем и на их функции.
Под вредным воздействием, наносимым соответствующей системе, в экотоксикологии понимают:
· явственные изменения обычных колебаний численности популяции;
· долгосрочные или необратимые изменения состояния экосистемы.
Под действием химических веществ изменяются следующие параметры экосистемы:
* плотность популяции;
* доминантная структура;
* видовое разнообразие;
* изобилие биомассы;
* пространственное распределение организмов;
* репродуктивные функции.
3.1 Ухудшение качества сельскохозяйственной продукции.
Интенсивное сельское хозяйство требует использования большого количества минеральных удобрений и гербицидов. Минеральные удобрения кроме необходимых для растений веществ содержат большое количество побочных веществ: тяжелых металлов, различных органических и неорганических концерогенов, которые накапливаются в культурных растениях. Особенно богаты “ядовитой приправой” фосфорные удобрения, содержание кадмия в двойном суперфосфате доходит до 3,5 мг/кг. Этот аспект обсуждается в работах (Агаев и др, 1989; Жукова, 1989). Проблема накопления нитратов в овощных культурах рассмативается в работе чешских ученых Пругар и Пругарова (1990), в которой приводятся данные о способности к накоплению нитратов у разных культур при разных дозах применения азотных удобрений.
В условиях непрекращающегося аэротехногенного загрязнения выявлено повышение затрат вещества и энергии на адаптивные перестройки в отдельных компонентах и в целом в агроэкосистеме, что сопровождается изменениями в структуре и функциях. Формирование обменных процессов изменяется таким образом, что поддержание экологического равновесия происходит за счет более интенсивного расходования как внутренних, так и внешних ресурсов.
Рассматривается влияние характера и уровня (ПДК) загрязнения разных типов почв на режим функционирования и состояние агроэкосистемы, которая исследуется как иерархически организованная система почва-микроорганизмы – растения - атмосфера. Отклик на загрязнение формируется благодаря взаимосвязанным реакциям в агроэкосистеме, способствующим изменениям в биогеохимических циклах. Режим функционирования агроэкосистем оценивали путем выявления зависимостей, интегрированных потоками в азотных циклах, количественные параметры которых определяли в полевых опытах с применением изотопа 15N.
Для оценки уровней воздействия аэротехногенного загрязнения в агроэкосистемах с посевом яровой пшеницы на разных типах почв использовали ранее разработанную шкалу экологического нормирования ( Помазкина и др., 1999). Выявлено, что на аллювиальной почве уровень воздействия на агроэкосистемы "критический". В агроэкосистемах на серых лесных почвах оно соответствует уровню "предельно допустимый", причем как на почвах загрязняемых тяжелыми металлами (допустимый уровень суммарного загрязнения ), так и на почвах загрязняемых водорастворимыми фторидами (3 и 6 ПДК). На дерново-луговой почве уровень воздействия на агроэкосистемы оценивается как "допустимый", что обусловлено их устойчивостью.
Таким образом, несмотря на отличия почв по характеру и уровню загрязнения, экологическая нагрузка на агроэкосистемы зависит от свойств почв и их буферной способности по отношению к загрязнению. Формирование устойчивости в агроэкосистеме прежде всего связано с типом почвы.
3.2. Воздействия на отдельные особи и популяции
Любое воздействие начинается с токсического порога, ниже которого не обнаруживается влияние вещества (NOEC - концентрация, ниже, которой не наблюдается воздействие). Ему отвечает понятие экспериментально определяемого порога концентрации (LOEC - минимальная концентрация, при которой наблюдается влияние вещества). Применяется также третий параметр: MATC - максимально допустимая концентрация вредного вещества (в России принят термин ПДК - “предельно допустимая концентрация”). ПДК находят расчетом, и ее значение должно находиться между NOEC и LOEC. Определение этой величины облегчает оценку риска воздействия соответствующих веществ на чувствительные к ним организмы ([1] стр. 188).
Химические вещества в зависимости от свойств и строения воздействуют на организмы по-разному.
Молекулярно-биологические воздействия.
Многие химические вещества взаимодействуют с ферментами организма, изменяя их структуру. Так как ферменты катализируют тысячи химических реакций, становится понятным, почему любое изменение их структуры глубоко влияет на их специфичность и регуляторные свойства.
Пример: цианиды блокируют фермент дыхания - цитохром-с-оксидазу; катионы Са2+ тормозят активность рибофлавинкитазы, которая является переносчиком фосфата на рибофлавин в клетках животных.
Нарушения обмена веществ и регуляторных процессов в клетке.
Метаболизм клеток может быть нарушен под действием химических веществ. Реагируя с гормонами и другими регуляторными системами, химические вещества вызывают неконтролируемые превращения, изменяют генетический код.
Пример: нарушение реакций окислительного расщепления углеводов, вызываемое токсичными металлами, особенно соединениями меди и мышьяка; пентахлорфенол (ПХФ), триэтилсвинец, триэтилцинк и 2,4-динитрофенол разрывают цепь химических процессов дыхания на стадии реакции окислительного фосфорилирования; лидан, соединения кобальта и селена нарушают процесс расщепления жирных кислот; Хлорорганические пестициды и полихлорированные бифенилы (ПХБФ) вызывают нарушения работы щитовидной железы.