Функционирование агроэкосистем в условиях техногенеза.

По мере роста производительных сил использование природно-ресурсного потенциала неуклонно расширяется, усиливается разностороннее антропогенное воздействие на природные комплексы и их компоненты. Прямым следствием такого воздействия является формирование и развитие процессов техногенеза.

Техногенез – это процесс изменения природных комплексов под воздействием производственной деятельности человека. Заключается в преобразовании биосферы, вызываемом совокупностью геохимических процессов, связанных с технической и технологической деятельностью людей по извлечению из окружающей среды, концентрации и перегруппировке целого ряда химических элементов, их минеральных и органических соединений.

В результате промышленной, сельскохозяйственной и иной многоплановой деятельности человека возникает техногенная миграция значительных объемов разнообразнейших веществ, являющихся, как правило, загрязнителями окружающей среды.

В соответствии с современными представлениями интегральным показателем последствий техногенеза является загрязнение окружающей природной среды.

С экологической точки зрения загрязнение окружающей среды есть любое внесение в ту или иную экосистему несвойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих круговорот веществ, их ассимиляцию, поток энергии, вследствие чего снижается продуктивность данной экосистемы или она разрушается. Из-за загрязнения ухудшается физическое и моральное состояние человека.

Загрязняющие факторы по физико-химическим параметрам подразделяются на механические, физические (энергетические), химические и биологические. Механическиеисточники загрязнения представлены инертными пылевыми частицами в атмосфере, твердыми частицами и разнообразными предметами в воде и почве. Кхимическим источникам загрязнения относятся газообразные, жидкие и твердые химические элементы и соединения, попадающие в атмосферу и взаимодействующие с компонентами окружающей природной среды. Физическими (энергетическими) источниками загрязнения являются тепло, шум, вибрации, видимые инфракрасные и ультрафиолетовые части спектра световой энергии, электромагнитные поля, ионизирующие излучения. Биологические загрязнения связаны с различными видами организмов, появившихся при участии человека и причиняющих вред ему самому или живой природе. Сравнительно недавно к загрязнениям начали относить нарушение природных ландшафтов и пейзажей, урбанизацию и т.п.

Для характеристики различных неблагоприятных воздействий применяют «стресс - индексы» категорий загрязнителей среды, которые по своему функциональному значению (смыслу) пропорциональны значениям экологического риска, являющегося мерой экологической опасности (табл.1). Они позволяют получить относительную характеристику опасности загрязнений.

1. Стресс - индексы загрязнителей среды

Агроэкосистемы, ставшие неотъемлемой составной частью современной биотехносферы, испытывают постоянные техногенные воздействия посредством загрязнений локального, регионального и глобального характера.

Центральное место в агроэкосистемах занимают продуценты, представляемые широким набором культивируемых растений. Именно в этом звене в значительной мере накапливаются продукты техногенеза, прежде всего газопылевые выбросы. Различают невидимые воздействия на растительность и видимые повреждения.

К основным невидимым воздействиям относятся: загрязнение растительного материала газообразными или твердыми компонентами вредных веществ, которые поглощаются частями растений, скапливаясь внутри или прилипая; реакции в растительном обмене веществ, проходящие в течение короткого времени; структурные изменения внутри клеток.

К внешним (видимым) изменениям относятся следующие: загрязнения (например, от сажи, летучей золы, цементной пыли, оксида железа и др.), особенно на шероховатых, покрытых волосками, клейких или влажных частях растений; прилипающая токсичная пыль, содержащая Рb, Аs или F; некроз, проявляющийся в изменении цвета или ожогах на листьях и хвоинках или других частях растений в результате воздействия SO₂ , HF, SiF_4, SO₃, НСl; верхушечный некроз на плодах под действием НF; преждевременный опад листьев или хвоинок; депрессия роста функционально важных или предназначенных для использования частей растений в результате снижения ассимиляции; потери зеленой массы из-за некроза или вследствие нарушения роста корневой системы из-за попавших в землю токсичных веществ.

Действие загрязняющих веществ на растения зависит от их вида и концентрации, длительности воздействия, относительной восприимчивости видов или отдельных растений к дымам и газам, стадии физиологического развития, в которой находится растение или его часть. Ведущие факторы – концентрация и продолжительность воздействия вредных ингредиентов.

Последствия техногенеза отрицательно сказываются на состоянии почв. Например, количество дождевых червей, принятое в качестве интегральной характеристики почвенного благополучия, заметно меняется в зависимости от расстояния до источника выброса и направления переноса загрязнений. На расстоянии до 600м в пахотных слоях черви практически полностью отсутствуют (табл.2).

2.Количество дождевых червей (шт.) в пахотном слое почвы, рассчитанное на 100л (по Луке, 1981)

Примечание. В почве этого ареала содержится 200-2000мг/кг Аs, 100-200мг/кг Рb и до 1000мг/кг Zn. Е – восток, W – запад.

И на протяжении 1500м их численность значительно снижена. Это свидетельствует об «омертвлении» почвы.

В результате действия загрязнений наблюдается падение продуктивности агросистем (табл.3). Считается, что фитотоксичные концентрации SO₂ находятся в интервале 50-90 мкг/м³. Картофель выдерживает довольно большие концентрации SO₂ в воздухе (250 мкг\м³) без существенных изменений по некоторым показателям.

3.Снижение урожайности сельскохозяйственных культур (%) в зависимости от расстояния до источника вредных выбросов в атмосферу, (Балацкий, 1979)

Опасный токсикант для сельскохозяйственных растений – фтор. Соединения фтора могут быть газообразными ( НF, SiF₄, H₂SiF₂, CF₆), твердыми частицами и аэрозолями (NaF₄, CaF₂, AlF₃, Na₂SiF₆). Содержание фтора в атмосфере для незагрязненных экосистем составляет 0,0001мг/м³. Симптомы интоксикации начинают проявляться при накоплении фтора в тканях в концентрации более 1,5-2,0 мг/кг. Сельскохозяйственные культуры нельзя выращивать на расстоянии ближе 3 км от источника фтористых выбросов.

Азотистые соединения в определенных количествах также негативно сказываются на состоянии агросистем. При высокотемпературном горении непосредственно в атмосферу поступает оксид азота (NO), который быстро окисляется до диоксида азота (NO2).

Диоксид азота участвует в фотохимических реакциях; в результате образуются сильные окислители (озон, пероксиацетилнитраты). А вместе с диоксидом серы NO₂ образует кислые аэрозоли и осадки.

При скармливании на протяжении двух лет (в общей сложности 37 недель) лактирующим коровам загрязненных кормов удои по сравнению с удоями животных, получавших только промытые корма, были в среднем на 19,8% ниже. При использовании загрязненных кормов наблюдалось снижение прироста массы у крупного рогатого скота на 19,4-37,5%.

Загрязняющие вещества, с одной стороны, концентрируются непосредственно в тканях растений, а с другой – меняют условия среды их обитания. У многих растений существуют механизмы детоксикации и окислительной деградации поглощенных токсикантов. Так, установлено, что 70% диоксида серы, попавшего в листья ячменя, превращается в серную кислоту, 30% детоксицируется – образуются свободные аминокислоты, содержащие серу (цистеин, метионин, глутатион), что подтверждается значительным увеличением содержания этих веществ в клетках в ответ на воздействие SO₂.