Экологические проблемы при использовании минеральных удобрений:
Пути возможного загрязнения окружающей среды удобрениями и мероприятия по его предотвращению

автор:

В останні роки цьому питанню приділяють велику увагу в нашій країні і за її межами. Вчені багатьох країн нині розробляють комплекс заходів, спрямованих на запобігання забруднення біосфери мінеральними добривами.

Основні шляхи забруднення навколишнього середовища добривами, за думкою В.Г. Мінеєва (1984) та інших вчених, такі: недосконалість організаційних форм, а також технології транспортування, зберігання, змішування і внесення добрив; порушення агрономічної технології їх внесення в сівозміні і під окремі культури; недосконалість самих добрив, їх хімічних, фізичних і механічних властивостей.

Так, суттєвий недолік транспортування добрив полягає насамперед у перевалочній системі від заводу до поля.

Серйозні недоліки є і в зберіганні мінеральних добрив. Складські приміщення не відповідають обсягам добрив, що поставляються сільському господарству. Середня ємкість складів у господарствах невелика, що не дає можливості здійснювати комплексну механізацію по підготовці добрив до змішування і внесення.

Наприклад, за даними ряду науково-дослідних інститутів, втрати на етапі «завод — поле» досягають 15—20%.

Втрати добрив залежать також від умов зберігання: при зберіганні у пристосованому приміщенні вони становлять 2,6%, а поза приміщенням — 11,1%. В останньому випадку добрива в основному втрачаються внаслідок пошкодження тари і перемішування з землею.

Потребує удосконалення і технологія внесення добрив. У дослідах ВІДА внесення основного повного мінерального добрива з нерівномірністю 50% знижувало врожай зернових культур на 6—7%, а суперфосфату з нерівномірністю 70—80% врожай озимої пшениці знижувався на 20% і більше порівняно з рівномірним.

Вплив же нерівномірного розподілу мінеральних добрив на врожай ячменю був ще більш суттєвим, ніж на врожай озимої пшениці. Особливо це різко проявляється на азотних добривах у зв’язку з високою їх ефективністю в багатьох ґрунтово-кліматичних зонах. Так, внесення аміачної селітри в нормі 60—80 кг/га з нерівномірністю 40—60% знижує урожай на 4,6—4,8% (Гродненська обласна дослідна станція), ярої пшениці — на 5,7 (Пермська сільськогосподарська дослідна станція), озимої пшениці — на 4,0% (Білоруська сільськогосподарська академія).

Збільшення показника нерівномірності внесення добрив до 70—80% призводило до втрат урожаю зернових культур на 10,5—10,8%, або на 4—4,5 ц/га зерна.

Нерідко у виробничих умовах фактична нерівномірність внесення добрив перевищує допустиму і досягає 75—80%. У таких випадках зниження врожаю зернових культур досягає 10—15%.

Рівномірність розсівання мінеральних добрив машинами центробіжного типу залежить не тільки від вирівняності гранул в удобрювальних сумішах, а й від дотримання точної відстані між проходами агрегату, визначення оптимальної ширини захвату, форм і якості добрив у сумішах тощо.

Для. підвищення якості внесення мінеральних добрив необхідні машини нового типу, що забезпечують поверхневе їх внесення з нерівномірністю не більше 15%, а також високопродуктивних машин для локального способу внесення основних форм мінеральних добрив. Вже розроблені марки машин, які мають суттєво вищу якість внесення мінеральних добрив.

Другий можливий шлях втрати поживних речовин з добрив та із ґрунтів — порушення наукових основ агрономічної технології застосування добрив у сівозміні та під окремі культури, а також розвиток водної й вітрової ерозії внаслідок порушення технології вирощування сільськогосподарських культур.

При застосуванні добрив важливо правильно визначити норми і співвідношення поживних елементів, вибрати оптимальні форми добрив, строки і способи їх внесення. Все це дасть можливість суттєво підвищити коефіцієнт продуктивного використання поживних елементів добрив сільськогосподарськими культурами на створення врожаю, а також зменшити їх втрати і вихід у навколишнє середовище.

При розгляді екологічних проблем агрохімії першочергове значення мають проблеми азоту. В основному він насамперед негативно впливає на всі ланки біосфери, на здоров’я людини. Дослідження вчених і виробничий досвід свідчать, що непродуктивні втрати азоту добрив можна зменшити до мінімуму, а коефіцієнт використання його значно підвищити при правильному, наприклад, роздрібненому внесенні відповідних норм добрив. При цьому азотні добрива доцільніше застосовувати в амонійній і амідній формах, наближувати строки їх внесення до сівби культури, або до фаз найбільшого споживання азоту рослинами. Втратам нітратів можна запобігти за допомогою регулювання строків і способів внесення добрив у поєднанні з комплексом прийомів протиерозійного обробітку ґрунту. Тому забруднення природних вод мінеральними сполуками азоту при інтенсивному застосуванні добрив не є неминучим наслідком хімізації землеробства, а є наслідком порушення науково обґрунтованих прийомів внесення їх у ґрунт.

У значній мірі втрати азоту в навколишнє середовище визначають форми азотних добрив. Встановлено, що нітратний азот використовують усі культури краще, ніж амонійний.

Великі втрати поживних речовин спостерігаються в умовах зрошення. Недосконалість зрошувальних систем часто поєднана з необхідністю скидати надлишок води з полів у річки і водойми. Разом з нею втрачається і велика кількість поживних елементів, особливо при застосуванні оптимальних і підвищених норм добрив.

За рахунок добрив концентрація азоту в колекторних водах, що скидаються із зрошувальних масивів, досягає літнього періоду 1% мг/л і більше, що в десятки і навіть сотні разів перевищує фонові розміри.

Протягом вегетації з колекторними водами виноситься до 22% азоту від загальної кількості надходження його на поле з добривами і зрошувальною водою.

Втрати азотних добрив в умовах зрошування можна значно скоротити, якщо їх вносити роздрібнено з поливною водою. Коефіцієнт використання азоту при цьому збільшується, а втрати його внаслідок вимивання зменшуються.

Особливо суттєво зростають втрати азоту при збільшенні кількості атмосферних опадів. Так, за даними голландських дослідників, кожний міліметр опадів викликає щорічні втрати азоту 0,5 кг/га. В умовах Німеччини при випаданні 374, 615 і 779 мм опадів з піщаного ґрунту вимивалося азоту — відповідно 33, 41 і 56 кг/га, а з глинистої — 21, 23 і 62 кг/га.

Таким чином, одержати високий ефект від добрив з врахуванням запобігання чи різкого зниження їх втрат у навколишнє середовище можна при виконанні таких агрохімічних і агрономічних вимог.

1. Слід вносити оптимальні норми добрив у сівозміні і під кожну сільськогосподарську культуру. Агрономічною наукою розроблено декілька способів визначення оптимальних норм добрив, але всі вони зводяться в основному до балансових розрахунків з врахуванням проектної урожайності, ефективної родючості ґрунту — коефіцієнтів використання поживних речовин з ґрунту і добрив тощо.

2. Системи добрив повинні мати оптимальне співвідношення поживних елементів з урахуванням вимог культури, наявності в ґрунті рухомих форм поживних елементів і особливостей клімату.

3. Вибір правильних строків внесення добрив з урахуванням біологічних особливостей культури, головним чином, періодичності її живлення, властивостей ґрунту, кліматичних особливостей зони, а також форм добрив.

4. Осушені, особливо торфо-болотні ґрунти краще використовувати під культури звичайної рядкової сівби або залужувати під високопродуктивні луки.

5. В умовах зрошення дуже важливо дотримуватися науково обґрунтованих норм, строків і способів внесення добрив.

6. При розробці і впровадженні систем добрив у сівозміні важливо враховувати її спеціалізацію і прагнути, щоб рілля максимальний час протягом року була зайнята культурними рослинами. В посушливих степових районах доцільно мати чисті пари. Важливо в сівозміні вирощувати післяжнивні і проміжні культури, що суттєво зменшує втрати поживних елементів.

Помітний винос мінеральних добрив у водойми внаслідок ерозії ґрунту. Вчені США підрахували, що змив азоту з ґрунту поверхневими — водами щороку в середньому під лісом становить 0,8—3,4 кг/га, на пасовищах — 6—8, на полях під пшеницею — 6, під бавовником — 13, при чергуванні кукурудза -пшениця — 18, під цитрусовими — 64 кг/га. Змиву можна запобігти застосуванням комплексу заходів по захисту ґрунтів від водної і вітрової ерозії. Це, як уже відзначалося раніше, обробіток ґрунту плоскорізами без обертання скиби, мульчування ґрунтів соломою, стернею, післяжнивними рештками.

Але найважливішим і найнеобхіднішим заходом, як відзначає В.А. Ковда (1983), є перехід у кожному господарстві на контурно-меліоративну організацію всієї території з полями, що вписуються в рельєф, виділенням інтенсивних сівозмін на схилах крутизною 2—5° і ґрунтозахисних кормових — на схилах крутизною понад 5°.

Необхідне широке застосування валів-терас і валів-лиманів як обов’язкових елементів контурно-меліоративного землеробства і як спрямовуючих ліній обробітку ґрунтів.

Нині розроблено комплекс заходів, що запобігають забрудненню навколишнього середовища мінеральними добривами внаслідок змиву їх ерозією.

1. Протиерозійний обробіток ґрунту: безполицевий, плоскорізний, мінімальний, смуговий, контурний, гребінчастий, чизелювання тощо.

2. Впровадження терасного, смугового землеробства і протиерозійних сівозмін.

3. Максимальне утримання еродованих ґрунтів під рослинністю. У зв’язку з цим велике значення має використання післяжнивних посівів, а також ущільнений посів ґрунтозахисної культури у міжряддях основної (просапної). Цей прийом особливо ефективний на легких ґрунтах.

4. На ділянках, дуже схильних до ерозії, радикальним засобом боротьби з нею є залуження таких ґрунтів багаторічними травами.

5. Правильний вибір форм, норм, строків і способів внесення і загортання добрив є важливим заходом запобігання втрат поживних речовин при змиві та вилугуванні з ґрунту.

6. Використання полімерів-структуроутворювачів.

Останній пункт стосується необхідності, поліпшення, властивостей і якостей добрив. Відомо, що однією з причин негативного впливу мінеральних добрив на навколишнє середовище є недосконалість їх хімічних, фізичних і механічних властивостей.

У зв’язку з недосконалістю хімічних властивостей, наприклад, азотних добрив, втрати азоту відбуваються внаслідок, як біологічних, так і хімічних процесів, що мають місце при взаємодії добрив і ґрунту. Прикладом втрат азоту під впливом біологічних процесів є його втрати при поверхневому внесенні сечовини.

Внесення ж сечовини із загортанням у ґрунт (під оранку, передпосівну культивацію, в рядки при сівбі тощо) дуже ефективне.

Досліди, проведені в Болгарії, показали, що втрати аміаку через випаровування можливі лише при поверхневому внесенні сечовини. Вони зростають на легких і висококарбонатних ґрунтах із збільшенням норми сечовини. Вирішальним фактором, що визначає величину втрат азоту і сечовини, є температура. При 0—4°С втрат практично немає, при 7—8°С їх кількість незначна, а при більш високих температурах вони суттєво підвищуються. Середнє співвідношення втрат при 7—8 і 30°С становить 1:7; 2:14,4. На величину втрат суттєво впливає вміст вологи у ґрунті. Максимальні втрати були при низькій вологості ґрунту. З підвищенням вологи від 30—40 до 80% ППВ втрати знижуються. Змішування сечовини з ґрунтом, або покриття її шаром ґрунту 56 см значно зменшує втрати азоту сечовини.

Другий біологічний шлях втрат азоту з добрив — процес денітрифікації у ґрунті. Встановлено, що газоподібні втрати азоту, внаслідок цього процесу, досягають 25% і більше від внесеної норми.

Найбільш суттєвий хімічний шлях втрат азоту з добрив — виділення вільного аміаку (NH3) внаслідок взаємодії аміачних форм добрив, особливо з лужними, висококарбонатними ґрунтами.

Для запобігання значних втрат азоту рекомендується внесення в ґрунт безводного аміаку на глибину 10—15 см.

Всі форми азоту в природних умовах протягом певного часу переходять у найбільш рухому нітратну форму. Нині для гальмування процесів нітрифікації широко застосовують у виробництві різні інгібітори, що дають можливість підвищити коефіцієнт використання азоту добрив і суттєво зменшити його втрати.

Серед інгібіторів найбільш поширені американські препарати (наприклад, нітрапірин), а також японський AM, які затримують нітрифікацію як амонійних іонів ґрунту, так і внесених добрив.

За багаторічними вітчизняними і зарубіжними даними, інгібітори підвищують коефіцієнт використання азоту з добрив на 10—15%, а в ряді випадків і більше. Втрати ж азоту з добрив знижуються в 1,5—2 рази. Тому в багатьох країнах світу велику увагу приділяють вивченню повільно діючих азотних добрив, які дають можливість зменшити кратність внесення добрив, знизити втрати азоту і запобігти забрудненню навколишнього середовища нітратами і нітритами.

Останнім часом велику увагу приділяють також капсулюванню, покриттю добрив синтетичними плівками (смолами, поліетиленом, парафіном) і звичайною сіркою. Це сприяє повільному вивільненню елементів живлення з водорозчинних добрив, що продовжується декілька місяців.

Внаслідок цього рослини повніше використовують поживні речовини добрив, що значно зменшує їх втрати.

Суттєве зменшення втрат азотних добрив і збільшення коефіцієнту їх використання відбуваються при застосуванні рідких азотних і комплексних добрив. Велике практичне значення має розробка технології одержання і застосування азотних добрив з контрольованим вивільненням азоту.

Вже розроблено систему заходів, яку доцільно використовувати для зниження забрудненості поверхневих стоків з полів сполуками азоту й фосфору.

Важливим є локальний спосіб внесення добрив, тобто по площі живлення рослин, що оптимально задовольняє потребу рослин у них і зменшує вимивання їх з ґрунту.

Для зменшення забруднення річок поверхневими стоками з полів велике значення мають: скорочення строків зберігання добрив на полях; спорудження спеціальних майданчиків для їх тимчасового зберігання в польових умовах, суворий контроль за режимом підживлення рослин з літаків (облік швидкості вітру, норми внесення, висоти польоту тощо), заміна в зонах з великою кількістю опадів водорозчинних добрив менш розчинними; заборона внесення добрив по сніговому покриву; створення лісових смуг, затримання поверхневого стоку з полів.

На легких ґрунтах для зменшення втрат азоту рекомендуються такі агротехнічні прийоми, як сівба однорічних і багаторічних бобових, внесення амонійних і амідних азотних добрив з дотриманням глибини оранки 10—15 см і максимальним скороченням строків між внесенням добрив і сівбою, впровадження зайнятих парів.

Успіхи біологічної, особливо клітинної генної інженерії свідчать, що ми знаходимося на порозі абсолютно нового підходу до форм і способів застосування азотних добрив. Можливість синтезувати індивідуальні гени і переносити їх у генетичний апарат бактерій дає змогу вже зараз придавати бактеріям, що розвиваються в мікоризі коренів пшениці, здатність фіксувати молекулярний азот повітря також, як і у бобових. У цьому напрямі одержано певні результати. Природно, що для широкого впровадження цього методу потрібен певний час.

Стало можливим і виробництво бактеріальних добрив, що фіксують азот з повітря. Дуже значним досягненням є виробництво гранульованих повільно-розчинних форм добрив, у тому числі й азотовмісних.

Багато проблем екології мінеральних добрив вже достатньо розроблені наукою, але ще не знаходять практичного втілення, тобто існує деякий розрив між досягненнями науки і ступенем їх реалізації у сільськогосподарському виробництві. Перше коло питань пов’язане з наявністю і якістю матеріально-технічної бази хімізації землеробства.

Наприклад, суттєво відстає у чисельному і якісному відношенні матеріально-технічна база хімізації від всезростаючих темпів застосування добрив. Потребує поліпшення комплекс машин і засобів транспортування, зберігання, змішування і внесення мінеральних добрив. При цьому найважливіше завдання — підвищення продуктивності й висока якість усіх робіт, спрямованих на запобігання втрат мінеральних добрив і більш ефективне їх використання.

Сільське господарство недостатньо забезпечене також складськими приміщеннями для зберігання агрохімічних засобів, особливо меліорантів. Значна частина складів у колгоспах і держгоспах має малу вмістимість і не пристосована для проведення механізованих робіт по змішуванню і підготовці добрив до внесення, навантаженню і розвантаженню, що призводить до значних їх втрат.

Другий комплекс питань — висока культура землеробства, вдосконалення і розробка нових, більш ефективних технологій застосування добрив у сівозміні під кожну сільськогосподарську культуру з урахуванням ґрунтово-кліматичних умов району, біологічних особливостей культури і сортів, спеціалізації сівозмін та інших прогресивних прийомів інтенсивного землеробства.

Третя проблема, що потребує постійного, систематичного впровадження в практику хімізації — це комплексне використання засобів хімізації в інтенсивних технологіях вирощування сільськогосподарських культур, тобто добрив, хімічних меліорантів, інтегрованої системи захисту рослин від бур’янів, шкідників і хвороб, регуляторів росту рослин.

Четверту групу питань можна об’єднати в проблему вдосконалення асортименту і якості, агрохімічних засобів, і насамперед, мінеральних добрив.

Асортимент добрив бажано поліпшувати в таких напрямах:

1. Виробництво безбаластних висококонцентрованих добрив, які не містять важких металів та інших токсичних елементів. У цьому відношенні дуже перспективні безвідходні-технології виробництва мінеральних добрив.

2. Добрива, що відповідають вимогам оптимізації рослин з врахуванням біологічних їх властивостей, тобто, які включають макро- і мікроелементи, стимулятори росту рослин, інгібітори нітрофікації та ін.

3. Мінеральні добрива пролонгованої дії з врахуванням періодичності живлення рослин. Це, наприклад, повільнодіючі азотні добрива у вигляді сполук з обмеженою розчинністю у воді, або покриття часток добрив різними речовинами, — воском, парафіном, маслами, смолами, полімерами тощо.

Вирішення цих питань буде сприяти різкому скороченню міграції біогенних речовин у навколишнє середовище, виключить негативний вплив мінеральних добрив на природу і здоров’я людини.