Экологические проблемы современности и сельское хозяйство

Но еще более масштабный и опасный аспект экологического кризиса связан с воздействием на нижние слои атмосферы так называемых парниковых газов, и, прежде всего, диоксида углерода и метана. Диоксид углерода поступает в атмосферу как в результате разрушения биоты человеком, при котором она распадается на воду и углекислый газ (1\3 всех поступлений), так и в особенности вследствие сгорания минерального топлива.

Источниками поступления в атмосферу метана служат сжигание биомассы, некоторые виды сельскохозяйственного производства, утечка его из нефтяных и газовых скважин. Хотя метан дает гораздо больший парниковый эффект, чем углекислый газ, последний более устойчив в атмосфере и к тому же его эмиссия превышает эмиссию метана в 25—30 раз.

Парниковыми эти газы называются потому, что, попадая в  атмосферу, они усиливают парниковый эффект, создавая на Земле ту «тепличную» температурную среду, в которой только и может существовать биологическая жизнь. Дело в том, что солнечная энергия, проникающая через атмосферу к земной поверхности, разогревает ее только до —18°С. И лишь благодаря парниковым газам происходит экранирование и вторичное отражение на Землю этих потоков тепловой энергии, в результате чего достигается повышение средней температуры до + 15 °С. Такой самоподдерживающийся баланс газов в земной атмосфере создавался в течение миллионов лет. Но теперь он оказался нарушенным — прежде всего вследствие резкого увеличения поступлений диоксида углерода.

Согласно имеющимся  подсчетам, только в 1950—1990 годах мировой объем эмиссии углерода вырос в четыре раза. Основную ответственность за эти выбросы несут экономически развитые страны Северного полушария, на долю которых приходится основная часть таких выбросов (по последним оценкам: на США — 25%, страны ЕС— 14%, страны СНГ— 13%, Японию —5%). Отсюда вытекает и определенная географическая закономерность, которая уже неоднократно отмечалась в нашей литературе: наиболее интенсивно загрязнение углеродом той части суши Северного полушария, которая расположена между 40 и 50° с. ш.⁸

Изменение газового баланса  атмосферы в связи с увеличением  содержания парниковых газов уже привело к тому, что по сравнению  концом XIX века среднегодовая температура воздуха у поверхности Земли увеличилась на 0,5°С. При этом наибольшим повышением среднегодовых температур были отмечены 80-е годы, на которые пришлось шесть самых жарких лет за всю историю наблюдений: 1481, 1983. 1986, 1987, 1988 и 1990. Такое потепление было отмечено нарастанием засух в США, Китае, России и ряде других стран мира. Эта же тенденция имеет место и в первой половине 90-х годов.

В последнее время  наибольшее внимание ученых привлекают хлорфторуглеродистые соединения (ХФУ, фреоны), имеющие чисто антропогенное происхождение. Эта группа газов широко используется в качестве хладагентов в холодильниках и кондиционерах, в виде растворителей, распылителей, стерилизаторов, моющих средств и др. Хотя было известно и парниковое действие хлорфторуглеродов, их производство продолжало довольно быстро расти, достигнув уже 1,5 млн т. Оно и продолжало бы расти, если бы не было обнаружено крайне отрицательное воздействие фреонов на озоновый слой атмосферы.

Было установлено, что  за последние 20—25 лет в связи  с ростом выбросов фреонов (а также окислов азота) защитный озоновый слой атмосферы уменьшился примерно на 2 %, а по другим данным даже на 2—5 %. Казалось бы, это очень небольшое сокращение. Но, во-первых, по расчетам ученых, уменьшение озонового слоя всего на 1 % приводит к усилению ультрафиолетового излучения на 2%. Во-вторых, в Северном полушарии содержание озона в атмосфере уменьшилось уже на 3 %, причем в зимние месяцы, когда низкие температуры особенно способствуют разрушительному воздействию фреонов на озоновый слой, понижение может доходить и до 5 %. Особую подверженность Северного полушария воздействию фреонов можно объяснить и с экономико-географических позиций: ведь 31 % фреонов производят США, 30 % — Западная Европа, 12 % — Япония, 10 % — СНГ. Наконец, в-третьих, надо иметь в виду, что в некоторых районах нашей планеты время от времени стали возникать такие «озоновые дыры», которые отличаются значительно более сильным разрушением озонового слоя.

Первая такая «дыра» была обнаружена над Антарктидой в 1978 году. Вторая подобная «дыра» была обнаружена над Арктикой. Хотя она оказалась не столь обширной и к тому же состоящей из нескольких «дыр» меньшей площади, интенсивности и продолжительности, для населения северных широт Евразии она может представлять значительно большую опасность, чем огромная «озоновая дыра» над безлюдном Антарктидой. А в середине 80-х годов содержание озона начало уменьшаться и над территорией средних широт Северного полушария. В конце 1994 года возникла огромная озоновая аномалия над территорией зарубежной Европы, России, США. В начале 1995 года было зарегистрировано рекордное (на 40 %) падение содержания озона над территорией Восточной Сибири. Все это означает, что «озоновый кризис» уже начал выходить за пределы Антарктиды и Арктики. В свою очередь рост интенсивности ультрафиолетовой радиации начинает сказываться на увеличении заболеваемости раком кожи, катарактой глаз, на снижении урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности фитопланктона.

В то же время следует иметь в  виду, что выбросы фреонов, по-видимому, не являются единственной причиной разрушения озонового слоя. По крайней мере, ученые рассматривают и другие антропогенные причины, включая использование сверхзвуковых самолетов и космических систем типа «Шаттл», «Протон», «Энергия». Было установлено   также,   что   на   содержание   стратосферного   озона   сильно влияют и многие естественные факторы. К ним относят прежде всего особенности атмосферной циркуляции, вызывающие приток обедненных озоном воздушных масс к полюсам, увеличение солнечной активности, возрастание вулканической деятельности.

4. Проблемы сельского хозяйства

4.1. Применение минеральных  удобрений

Для своего развития растения нуждаются  в определенном количестве биогенных  веществ (соединений азота, фосфора, калия и др.), обычно поглощаемых из почвы. В естественных экосистемах биогены, ассимилированные растительностью, возвращаются в почву в результате процессов деструкции в круговороте вещества: разложения плодов, растительного опада, отмерших побегов, корней и пр. Некоторое количество соединений азота фиксируется бактериями из атмосферы. Часть биогенов привносится с осадками. На отрицательной стороне баланса находятся инфильтрация и поверхностный сток растворимых соединений биогенов, их вынос с почвенными частицами в процессе эрозии почвы, а также преобразование соединений азота в газообразную фазу с уходом ее в атмосферу.

Сельское хозяйство нарушает естественный, практически замкнутый баланс биогенов. Ежегодный урожай уносит часть биогенов, содержащихся в произведенном продукте. В агроэкосистемах скорость выноса питательных веществ на 1-3 порядка больше, чем в природных системах, причем чем выше урожай, тем относительно больше интенсивность выноса, следовательно первоначальный запас питательных веществ в почве может израсходоваться сравнительно быстро.

Всего в мире с урожаем  зерна выносится, например, около 40 млн. т азота в год, или примерно 63 кг на 1 га площади зерновых. Отсюда следует необходимость применения удобрений для поддержания плодородия почвы и повышения урожаев, так как при интенсивном земледелии без удобрений плодородие почвы снижается уже на второй год. Обычно применяются азотные, фосфорные и калийные удобрения в различных формах и сочетаниях, в зависимости от местных условий. В то же время, применение удобрений маскирует деградацию почв, заменяя естественное плодородие на плодородие, базирующееся в основном на химических веществах.

Наряду с положительными эффектами, удобрения создают также  экологические проблемы, в особенности в странах с высоким уровнем их применения. При удобрении почв нитратными удобрениями происходит их постепенный перенос в поверхностные водные объекты и подземные воды. Концентрация нитратов в воде, стекающей с полей, обычно находится между 1 и 10 мг/л, а с нераспаханных земель она на порядок меньше. По мере роста массы и продолжительности применения удобрений, все большее количество нитратов попадает в поверхностные и подземные воды, делая их непригодными для питья. Если уровень применения азотных удобрений не превышает 150 кг/гa в год, то в природные воды попадает примерно 10% от объема применяемых удобрений. В особенности серьезна проблема загрязнения подземных вод после того, как нитраты попали в водоносный горизонт.

Смыв фосфора со склонов  в процессе почвенной эрозии составляет не менее 50 млн. т в год. Эта цифра  сравнима с годовым объемом промышленного производства фосфорных удобрений. По некоторым оценкам в 1990 г. 33 млн т фосфора было вынесено реками в океан, сколько было внесено на поля. Фосфор перемещается под воздействием силы тяжести, главным образом с водой, преимущественно с континентов в океаны, и это ведет к хроническому дефициту фосфора на суше и к еще одному глобальному геоэкологическому кризису.

Водная эрозия, унося  почвенные частицы, переносит также  содержащиеся в них и адсорбированные на них соединения фосфора и азота. Если они попадают в водные объекты с замедленным водообменом, улучшаются условия для развития процесса эвтрофикации.

Использование минеральных  удобрение вызывает сильные сдвиги в биогеохимических круговоротах.

Избыток азота может  изменить кислотность почв, а также  содержание в них органического  вещества, что может привести к дальнейшему выщелачиванию питательных веществ из почвы и ухудшению качества природных вод. Образующаяся закись азота обладает парниковым эффектом и является одним из факторов разрушения озонового экрана в атмосфере, играющего защитную роль в предохранении живых существ на Земле от жесткого ультрафиолетового облучения.

Зависимость величины урожая от объема применяемых удобрений  в целом похожа для любой культуры: растение заметно реагирует на первые порции применяемых удобрений, при последующих порциях прирост урожая становится меньше, а затем уже прироста практически нет (кривая зависимости в этой области стремится к асимптоте), а при дальнейшем увеличении нагрузки удобрениями может отмечаться и снижение урожая.

Научно обоснованные стратегии сельского хозяйства должны исследовать возможности сокращения объема применяемых удобрений с целью поиска оптимального уровня их применения, а также включать такие компоненты, как корректная технология их применения и защита почв от эрозии.

4.2. Применение  пестицидов

Значительная часть  урожая уничтожается вредителями и  погибает вследствие болезней как на поле, так и, позднее, в хранилищах. Иногда потери достигают половины урожая (в бывшем СССР - до 30—40 %, в США - 33%). Одно из основных направлений борьбы с вредителями сельского хозяйства (насекомыми, грызунами, грибками, сорняками и пр.) - это применение химических веществ, называемых пестицидами.

Пестициды - общее название для всех химических веществ, применяемых для борьбы с вредителями, а также и более узкое название для части веществ, применяемых против насекомых. Гербициды применяются для контроля сорняков, фунгициды - против грибков, родентициды - против грызунов. Основной потребитель пестицидов - сельское хозяйство.

Всего в мире используется не менее 180 пестицидов в виде нескольких тысяч препаративных форм. За десятилетия 1960-1980 гг. объем пестицидов, применяемых в сельском хозяйстве мира, увеличился на порядок. Однако затем употребление пестицидов стало замедляться вследствие обнаруженных серьезных проблем.

Большинство проблем  применения пестицидов, возникает потому, что практически все пестициды  являются ксенобиотиками — чуждыми  для природы химическими соединениями.

Большую роль в плодородии почв играет почвенная биота. Подавляя вредителей пестицидами, человек снижает также численность почвенных организмов. В пойменных почвах Нечерноземья насчитывалось до 300 дождевых червей на 1 кв. м, пропускавших сквозь свой кишечник ежегодно до 10 кг почвы. В настоящее время их численность сократилась в десятки и сотни раз.

Многообразные пестициды  различным неблагоприятным образом  воздействуют на ландшафты и их компоненты. Группы животных, наиболее страдающих от пестицидов (в порядке увеличения степени поражения): беспозвоночные, рыбы, птицы, млекопитающие, микроорганизмы.

Внутренние водоемы  загрязняются пестицидами и продуктами их распада. Пестициды сыграли, например, немалую роль в ухудшении состояния Аральского моря, его притоков и бассейна. Исследование поведения пестицидов в ландшафте в зависимости от географических условий - важная и пока недостаточно изученная проблема.

Попавший в окружающую среду пестицид включается в процессы биоаккумуляции, когда может происходить многократное (до сотен тысяч раз) повышение его концентрации по мере продвижения пестицидов по пищевым цепям. В результате отдельные, иногда отдаленные от пестицидной мишени звенья пищевых цепей могут оказаться крайне токсичными. Широко известен пестицид ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтан), почти везде запрещенный к использованию. Период полного распада ДДТ составляет многие десятки лет, и около половины произведенного промышленностью препарата еще находится в окружающей среде. Биоаккумуляция ДДТ в экосистеме озера Мичиган приводит к его накоплению в рыбоядных птицах в 180 тыс. раз большему, чем его концентрация в озерной воде:

ДДТ в воде - 0,014 мг/л

ДДТ в зоопланктоне - до 5 мг/л

ДДТ в мелкой рыбе - до 10 мг/кг

ДДТ в крупной рыбе - до 200 мг/кг

ДДТ в рыбоядных птицах - до 2500 мг/кг

Другая серьезная проблема применения пестицидов в том, что  вредители привыкают к пестицидам, это привыкание передается по наследству, снижая эффективность пестицидов и заставляя вводить в использование все новые и новые химические вещества. Это явление, так называемая резистентность, привело к тому, что более десятка массовых видов насекомых развили нечувствительность ко всем основным классам применяемых соединений. К ним относятся домовая муха, таракан, колорадский картофельный жук, капустная моль и др. Резистентность к применяемым пестицидам вырабатывается через 10-30 поколений, поэтому при современной стратегии применения пестицидов, все основные вредители могут стать резистентными.