Какие страны наносят ущерб окружающей среде из-за чрезмерного использования удобрений?
Текст: Ханна Ричи
Резюме
Удобрения изменили способ производства продуктов питания в мире. Они не только принесли большие выгоды для продовольственной безопасности, но и экологические выгоды за счет более высоких урожаев (и, следовательно, меньшего использования земли). Но может быть и обратная сторона. Когда мы вносим излишнее количество удобрений, независимо от того, являются ли они натуральными, такими как навоз или синтетические удобрения, излишки питательных веществ смываются и загрязняют окружающую среду.
Азот и фосфор — два основных удобрения, которые фермеры добавляют на свои поля. Представленные здесь исследования показывают, что почти две трети азота, который мы используем для выращивания сельскохозяйственных культур, становится загрязнителем; аналогично — более половины применяемого фосфора. Существуют большие различия в том, сколько загрязняющих веществ страны создают в результате своей сельскохозяйственной практики.
Выгода и недостатки
Удобрения улучшают урожайность сельскохозяйственных культур и приносят большое количество социально-экономических выгод. У этого есть два преимущества. Во-первых, мы можем выращивать больше еды. Во-вторых, нам нужно использовать меньше земли для ведения сельского хозяйства и, следовательно, уничтожать меньше экосистем в процессе.
Но помимо этих экологических преимуществ есть и недостатки. Не все питательные вещества, которые мы применяем используются культурами. Остальное уходит с наших ферм в естественную среду: если это происходит, то это загрязняет реки и озера; вызывает дисбаланс в экосистемах и влияет на биоразнообразие.
Каковы глобальные масштабы загрязнения удобрениями? Какие страны вызывают наиболее предотвратимое загрязнение?
Мы можем измерить это с помощью показателя, называемого «избыток питательных веществ». Этот показатель показывает нам, сколько питательных веществ, которые фермеры применяют в качестве удобрений, уходит в естественную среду.
В статье, опубликованной в журнале Science, Пол Уэст и его коллеги составили карту баланса питательных веществ для азота и фосфора — основных питательных веществ, которые мы добавляем в наши культуры — во всем мире. Они сопоставили количество питательных веществ на входе (в виде синтетических удобрений, органических дополнений, таких как навоз, или даже биологическая фиксация азота из бобовых растений) и выходе, который является количеством азота или фосфора, хранящемся в урожае, который мы собираем.
Разница между входами и выходами — это «избыток», то есть питательные вещества, которые не используются культурами, а вместо этого попадают в естественную среду.
Почти две трети внесенного азота не используются нашими культурами
Это исследование показало, что фермеры во всем мире ежегодно вносят в посевы около 115 млн тонн азота. Они используют только около 35% этого количества, а это означает, что 75 млн тонн азота попадает в наши реки, озера и природную среду. Это наш «лишний азот». Поразительно, что почти две трети применяемого нами азота становится загрязнителем окружающей среды.
Какие страны создают наибольшее загрязнение азотом? Карты ниже показывают это с двух точек зрения.
Во-первых, как избыток азота на гектар пашни. Здесь мы видим большие различия по всему миру.
Некоторые страны действительно производят «отрицательное» загрязнение азотом, они показаны синим цветом. Это происходит, когда страны испытывают нехватку азотных удобрений, но продолжают пытаться выращивать все больше и больше сельскохозяйственных культур. Затем растения должны забирать азот из почвы. Со временем это приводит к истощению питательных веществ в почвах, что в долгосрочной перспективе отрицательно скажется на продуктивности этих почв и растениеводстве.
В других странах наблюдается массовый избыток азота. Эти страны показаны здесь более темными оттенками красного. Такие страны, как Кувейт, Сингапур, Южная Корея, Египет, Новая Зеландия, Китай и Тайвань, создают более 100 кг избыточного азота на гектар. На каждый гектар пахотных земель они производят сотни килограммов загрязнения.
На другой карте показано общее загрязнение азотом — сумма выбросов, произведенных в каждой стране, а не на гектар. Это дается как доля каждой страны в общемировом показателе.
Китай является источником наибольшего загрязнения азотом, составляя одну треть от общемирового показателя. Индия производит почти пятую часть (18%); США производит 11%; за ними следуют Пакистан и Бразилия.
Неудивительно, что страны с наибольшим населением (и одними из самых больших массивов суши) создают наибольшее загрязнение. Но есть много возможностей уменьшить использование удобрений (и загрязнение) без ущерба для урожайности.
Оба этих показателя—- количество избыточного азота на гектар и общий избыток — важны. Избыток на гектар информирует нас о том, где питательные вещества используются неэффективно. Если это число велико, то фермеры используют слишком много удобрений и органических удобрений. Но полный избыток также важен, потому что он информирует нас о том, где у нас могут быть очаги загрязнения воды и экосистемы. Нам нужно знать о регионах с большим количеством сельскохозяйственных угодий и избытком питательных веществ, потому что окружающие реки и озера подвержены высокому риску загрязнения.
Более половины применяемого фосфора теряется в окружающей среде
Другим основным питательным веществом, которое мы добавляем в наши посевы с помощью удобрений, является фосфор.
Ежегодно фермеры во всем мире применяют около 25 млн тонн фосфора. 14 млн тонн не используются культурами и становятся загрязняющими веществами. Это означает, что больше половины тратится зря.
Так же, как мы рассмотрели азот, мы можем увидеть, какие страны производят больше всего фосфора; сначала на гектар, затем — всего за год. Это показано на картах ниже.
Большинство стран, в которых имеется избыток азота — это те же страны, в которых также имеется избыток фосфора. Сингапур, Новая Зеландия, Япония, Южная Корея и Бельгия находятся в верхней части списка.
Неудивительно, учитывая размер их населения и сушу, что крупнейшие загрязнители фосфором похожи на азотную ситацию. Возглавляет список Китай, производящий одну треть избыточного фосфора в мире. Далее следует Индия с одной пятой; Бразилия — 7%; США — 6%; и Пакистан — 3%.
Некоторые страны могут использовать больше удобрений, а некоторые могли бы использовать меньше
Многие страны, особенно бедные страны Африки к югу от Сахары, не используют достаточное количество удобрений. В результате там страдает урожайность. Это плохо для фермеров, продовольственной безопасности и окружающей среды, потому что это означает, что им нужно использовать больше земли для сельского хозяйства. Африка к югу от Сахары, по прогнозам, станет горячей точкой потери среды обитания в ближайшие десятилетия в результате расширения пахотных земель. Тысячи видов млекопитающих, птиц и земноводных находятся в опасности. Хорошая новость заключается в том, что если мы сможем повысить урожайность, мы сможем предотвратить почти все это. Удобрения будут играть важную роль в достижении этого.
На другом конце спектра некоторые страны используют слишком много удобрений. Они могли бы использовать их гораздо меньше и производить гораздо меньше загрязнения, без ущерба для урожайности. Правильный баланс принесет ряд социально-экономических и экологических выгод.
Источник
1.3.2 Влияние минеральных удобрений на атмосферу
Атмосфера всегда содержит определенное количество примесей, поступающих от естественных и антропогенных источников. Более устойчивые зоны с повышенной концентрацией загрязнений возникают в местах активной жизнедеятельности человека. Антропогенное загрязнение отличается разнообразием видов и многочисленностью источников.
Главными причинами загрязнения природной среды удобрениями, их потерями и непроизводительного использования являются:
1) несовершенство технологии транспортировки, хранения, смешивания и внесения удобрений;
2) нарушение технологии их применения в севообороте и под отдельные культуры;
3) водная и ветровая эрозия почв;
4) несовершенство химических, физических и механических свойств минеральных удобрений;
5) интенсивное использование различных промышленных, городских и бытовых отходов в качестве удобрений без систематического и тщательного контроля их химического состава[8].
От применения минеральных удобрений загрязнение атмосферы незначительно, особенно с переходом на использование гранулированных и жидких удобрений, но оно имеет место. После применения удобрений в атмосфере обнаруживаются соединения, содержащие преимущественно азот, фосфор и калий.
Существенное загрязнение атмосферы происходит также и при производстве минеральных удобрений. Так, пылегазовые отходы калийного производства включают выбросы дымовых газов сушильных отделений компонентами которых являются пыль концентратов (КCl), хлористый водород, пары флотриагентов и антислеживателей (аминов). По влиянию на окружающую среду первостепенное значение имеет азот[2].
Органические вещества, как солома и сырые листья сахарной свеклы, снижали газообразные потери аммиака. Это можно объяснить содержанием в компосте СаО, обладающего щелочными свойствами, и токсических свойств, способных подавлять деятельность нитрификаторов[11].
Потери его из удобрений бывают довольно значительными. Он усваивается в полевых условиях примерно на 40%, в отдельных случаях на 50-70%, иммобилизируется в почве на20-30%.
Существует мнение, что более серьезным источником потерь азота, нежели вымывание, является улетучивание его из почвы и внесенных в нее удобрений в форме газообразных соединений(15-25%). Например, в земледелии Европы 2/3 потерь азота приходится на зимний период и 1/3 на летний[1].
Фосфор как биогенный элемент меньше теряется в окружающую среду вследствие малой его подвижности в почве и не представляет такой экологической опасности, как азот.
Потери фосфатов чаще всего происходят в процессе эрозии почвы. В результате поверхностного смыва почвы с каждого гектара уносится до 10 кг фосфора.
Атмосфера самоочищается от загрязнений в результате осаждения твердых частиц, вымывания их из воздуха осадками, растворения в каплях дождя и тумана, растворения в воде морей, океанов, рек и других водоемов, рассеивания в пространстве. Но, как известно эти процессы происходят очень медленно[2].
1.3.3 Влияние минеральных удобрений на водные экосистемы
В последнее время происходит стремительный рост производства минеральных удобрений и поступление биогенных веществ в воды суши, создавший в качестве самостоятельной проблему антропогенного эвтрофирования поверхностных вод. Эти обстоятельства, несомненно, имеют закономерную взаимосвязь.
В водоемы поступают стоки, содержащие много соединений азота и фосфора. Это связано со смывом в водоемы удобрений с окрестных полей. В результате и происходит антропогенная эвтрофикация таких водоемов, повышается их неполезная продуктивность, происходит усиленное развитие фитопланктона прибрежных зарослей, водорослей, «цветение воды» и др. В глубинной зоне накапливается сероводород, аммиак, усиливаются анаэробные процессы. Нарушаются окислительно-восстановительные процессы и возникает дефицит кислорода. Это приводит к гибели ценных рыб и растительности, вода становится непригодной не только для питья, но даже для купания. Такой эвтрофированный водоем утрачивает свое хозяйственное и биогеоценотическое значение. Поэтому борьба за чистую воду одна из важнейших задач всего комплекса проблемы по охране природы[3].
Естественные эвтрофированные системы хорошо сбалансированы. Искусственное же внесение биогенных элементов в результате антропогеннй деятельности нарушает нормальное функционирование сообщества и создает в экосистеме гибельную для организмов неустойчивость. Если в такие водоемы прекратится поступление посторонних веществ, они смогут вернуться в свое первоначальное состояние.
Оптимальный рост водных растительных организмов и водорослей наблюдается при концентрации фосфора 0,09-1,8 мг/л и нитратного азота 0,9-3,5 мг/л. Более низкие концентрации этих элементов ограничивают рост водорослей. На 1 кг поступившего в водоем фосфора образуется 100 кг фитопланктона. Цветение воды за счет водорослей возникает только в тех случаях, когда концентрация фосфора в воде превышает 0,01 мг/л.
Значительная часть биогенных элементов, попадая в реки и озера со стоковыми водами, хотя и в большинстве случаев смыв элементов поверхностными водами значительно меньший, чем в результате миграции по профилю почвы, особенно в районах с промывным режимом. Загрязнение природных вод биогенными элементами за счет удобрений и их эвтрофикация возникают, прежде всего, в тех случаях, когда нарушается агрономическая технология применения удобрений и не выполняется комплекс агротехнических мероприятий, в целом культура земледелия находится на низком уровне[4].
При применении фосфорных минеральных удобрений происходит увеличение выноса фосфора с жидким стоком примерно в 2 раза, тогда как с твердым стоком увеличение выноса фосфора не происходит или даже происходит незначительное его снижение.
С жидким стоком с пахотных земель выносится 0,0001-0,9кг фосфора с гектара. Со всей территории, занятой в мире пашней, что составляет около 1,4 млрд га, за счет применения минеральных удобрений в современных условиях выносится порядка 230 тыс.т фосфора дополнительно.
Неорганический фосфор находится в водах суши преимущественно в виде производных ортофосфорной кислоты. Формы существования фосфора в воде не безразличны для развития водной растительности. Наиболее доступен фосфор растворенных фосфатов, которые при интенсивном развитии растений используются ими практически полностью. Аппатитный фосфор, осаждаясь в донных отложениях, практически не доступен для водных растений и слабо ими используется.
Миграция калия по профилю почв, имеющих средний или тяжелый механический состав, значительно затруднена в связи с поглощением почвенными коллоидами и переходом в обменное и необменное состояние.
Поверхностным стоком смывается преимущественно почвенный калий. Это находит соответствующее выражение в величинах содержания калия в природных водах и отсутствии связи между ними и дозами калийных удобрений.
Что касается азотных удобрений минеральных удобрений, то количество азота в стоке составляет 10-25% его общего поступления с удобрениями.
Доминирующими формами азота в воде(исключая молекулярный), являются NO3,NH4,NO2, растворимый органический азот и азот взвешенных частиц. В озерных водоема концентрация может изменяться от 0 до 4 мг/л.
Однако, по мнению ряда исследователей, оценка вклада азота в загрязнение поверхностных и грунтовых вод является, по-видимому, завышенной.
Азотные удобрения при достаточном количестве других питательных элементов в большинстве случаев способствуют интенсивному вегетативному росту растений, развитию корневой системы и поглощению нитратов из почвы. Увеличивается площадь листьев и в связи с этим возрастает коэффициент транспирации, повышается расход воды растением, снижается влажность почвы. Все это снижает возможность промывания нитратов в нижние горизонты почвенного профиля и оттуда в грунтовые воды.
Максимальная концентрация азота отмечается в поверхностных водах в период половодья. Количество азота, вымываемого в течение периода половодья с водосборных площадей, в значительной степени определяется аккумуляцией соединений азота в снежном покрове[15].
Можно отметить, что вынос как общего азота, так и отдельных его форм в период половодья выше, чем запасы азота в снежном покрове. Это может быть связано с размывом верхнего слоя почвы и вымыванием азота с твердым стоком[12].
Источник