Сельскохозяйственное загрязнение

По оценочным данным, без применения мер по защите от вредителей потери урожая до сбора могут достигать 40 %^[9].

Одной из основных проблем является стойкость химических веществ. Например, 2,4-D и атразин могут сохраняться в почве до 20 лет (как ДДТ, алдрин, дильдрин, эндрин, гептахлор и токсафен) и больше — например, свинец, ртуть и мышьяк^[10].

Устойчивость пестицидов и гербицидов зависит от их химического состава^[11].

Пестициды могут накапливаться в организмах животных, которые питаются заражёнными насекомыми и почвенными организмами. Основная угроза, связанная с применением пестицидов, заключается в их воздействии на нецелевые организмы^[9]. К таким организмам относятся виды, которые обычно считаются полезными или желательными, например, опылители, а также естественные враги вредителей — насекомые, которые охотятся на вредителей^[12].

Биопестициды, которые получают из природных материалов, могут помочь уменьшить общее загрязнение окружающей среды в сельском хозяйстве. Однако их применение остаётся довольно ограниченным.

Кроме того, с биопестицидами часто связаны те же проблемы, что и с синтетическими пестицидами^[13]. В США биопестициды не подвергаются такому строгому контролю, как синтетические^[14]. Многие из них разрешены для использования в органическом сельском хозяйстве в соответствии с требованиями Национальной органической программы Министерства сельского хозяйства США^[13].

На территории России загрязнённые участки почв химическими средствами защиты растений (пестицидами) выявляются ежегодно. Например, согласно данным Роспотребнадзора, озвученным в докладе «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в России в 2018 году», в Орловской области зафиксировано превышение нормативов по санитарно-химическим показателям загрязнения почвы в 1,1 раза^[15].

К экологически чистым методам борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур относятся: карантинные меры. агротехнические мероприятия, включающие в себя различные способы обработки почвы, правильное внесение удобрений, соблюдение оптимальных сроков посева и уничтожение остатков урожая после сбора; прогнозирование массового размножения вредителей и принятие мер по их уничтожению с помощью экологически чистых средств; активное использование биологических методов защиты растений^[15].

Вымывание пестицидов представляет собой процесс, при котором пестициды растворяются в воде и перемещаются в места, где их присутствие нежелательно. Это явление является одним из основных источников загрязнения грунтовых вод.

На процесс вымывания влияют несколько факторов: состав почвы, вид используемого пестицида, а также количество осадков и интенсивность полива. Вероятность вымывания значительно возрастает при использовании водорастворимых пестицидов в песчаных почвах, при избыточном поливе сразу после применения пестицида и в случае низкой способности пестицида удерживаться на поверхности почвы^[16].

Удобрения представляют собой важные агрохимикаты, которые используются для обогащения сельскохозяйственных культур необходимыми питательными веществами, такими как азот, фосфор и калий. Эти элементы способствуют здоровому росту растений и повышают урожайность.

Однако, несмотря на свою пользу для растений, удобрения могут оказывать негативное воздействие на биогеохимические циклы питательных веществ в природе. Это может привести к негативным последствиям для окружающей среды и здоровья человека.

В сельском хозяйстве широко используются два основных источника азота: NO3- (нитрат) и NH4+ (аммоний). Благодаря этим удобрениям урожайность сельскохозяйственных культур значительно увеличилась:

Согласно мнению Смила Ваклава, «если бы средняя урожайность оставалась на уровне 1900 года, то для сбора урожая в 2000 году потребовалось бы почти в четыре раза больше земли. Под сельскохозяйственные угодья пришлось бы отдать почти половину всех континентов, свободных ото льда, что составляет не менее 15 % от общей площади, которая используется в наше время»^[17].

Хотя азотные удобрения и способствуют увеличению урожайности, они также могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду. Они могут загрязнять грунтовые и поверхностные воды, а также ухудшать состояние почвы и атмосферы.

Не все питательные вещества, вносимые с удобрениями, усваиваются растениями. Часть из них накапливается в почве или теряется в виде стоков. Вероятность потери нитратных удобрений в виде стоков значительно выше, так как они хорошо растворимы и имеют схожие заряды с отрицательно заряженными частицами глины. Это приводит к тому, что нитраты легко вымываются в грунтовые воды, загрязняя их^[18].

Из-за избыточного внесения азотсодержащих удобрений и высокой растворимости нитратов в воде, происходит увеличение стока в поверхностные воды и вымывание в грунтовые воды. Содержание нитратов в грунтовых водах выше 10 мг/л может вызвать у младенцев «синдром синего ребёнка» — приобретённую метгемоглобинемию, а также заболевания щитовидной железы и различные виды рака^[19].

Два ключевых процесса, участвующих в круговороте азота, — это азотфиксация и денитрификация.

Азотфиксация — это процесс, в ходе которого атмосферный азот (N₂) превращается в аммиак. Денитрификация, в свою очередь, представляет собой процесс, при котором биологически доступные соединения азота преобразуются в азот (N₂) и оксид азота (N₂O).

Эти процессы являются основными источниками поступления и выведения азота в экосистемах. Они позволяют азоту перемещаться между атмосферой, которая на 78 % состоит из азота, и биосферой. К другим важным процессам в круговороте азота относятся нитрификация и аммонификация. Нитрификация превращает аммоний в нитрат или нитрит, а аммонификация — органические вещества в аммиак.

Эти процессы помогают поддерживать относительно стабильный уровень азота в большинстве экосистем. Однако если в экосистему поступает большое количество азота из сельскохозяйственных стоков, это может привести к серьёзным проблемам^[20].

В водных экосистемах одним из последствий избытка азота является эвтрофикация. Она приводит к кислородному голоданию, что может быть смертельно опасно или губительно для многих живых организмов.

Кроме того, использование азотных удобрений может привести к выбросам газа аммиака (NH₃₎ в атмосферу^[21]. Этот газ затем преобразуется в соединения NO_x — оксиды азота, которые негативно влияют на здоровье человека и окружающую среду.

Увеличение концентрации оксидов азота (NO_x) в атмосфере может негативно сказаться на состоянии водных экосистем и вызвать различные респираторные заболевания у людей. При использовании удобрений также выделяется N₂O — парниковый газ, который способен разрушать озон (O₃) в стратосфере^[22].

Почвы, которые получают азотные удобрения, также могут пострадать. Увеличение доступного для растений азота приводит к росту чистой первичной продукции сельскохозяйственных культур. В результате повышается активность почвенных микроорганизмов из-за поступления азота из удобрений и соединений углерода через разлагающуюся биомассу.

Избыток азота может нарушить отношения между растениями и микроорганизмами, такими как бобовые и ризобии — азотофиксирующие бактерии, образующие симбиоз с корнями растений семейства бобовых и обладающие способностью переводить атмосферный азот в соединения^[23].

Усиление разложения в почве приводит к снижению содержания органического вещества, что ухудшает общее состояние почвы^[24].

Наиболее распространённой формой фосфорных удобрений, применяемой в сельском хозяйстве, является фосфат (PO₄^3-). Его вносят в виде синтетических соединений, содержащих PO₄^3-, так и в органической форме, например, навоза или компоста.

Фосфор — это важный элемент, необходимый для всех организмов. Он играет ключевую роль в клеточных и метаболических процессах, таких как производство нуклеиновых кислот и обмен энергии^[25]. Однако большинству организмов, включая сельскохозяйственные культуры, требуется лишь небольшое количество фосфора, поскольку они развивались в условиях, где его содержание в почве относительно невелико^[26].

Почвенные микроорганизмы способны преобразовывать органические формы фосфора в растворимые и доступные для растений соединения, такие как фосфат. Этот процесс редко происходит при использовании неорганических удобрений, которые уже содержат фосфат или другие формы фосфора, легко усваиваемые растениями.

Фосфор, который не поглотили растения, закрепляется на частицах почвы. Из-за этого он часто попадает в поверхностные воды, когда частицы почвы, на которых он находится, вымываются осадками или ливневыми стоками.

В поверхностные воды попадает относительно небольшое количество фосфора по сравнению с тем, что вносится вместе с удобрениями. Однако, поскольку фосфор является важным питательным веществом для большинства сред, даже незначительное его количество может нарушить естественные биогеохимические циклы фосфора в экосистеме^[27].

Хотя азот также играет определённую роль в процессе цветения водорослей и цианобактерий, которое вызывает эвтрофикацию, избыток фосфора считается самым опасным фактором. Это связано с тем, что фосфор часто является наиболее дефицитным питательным веществом, особенно в пресных водах^[28].

Водоросли и цианобактерии могут вырабатывать цианотоксины, которые не только снижают уровень кислорода в поверхностных водах, но и представляют опасность для здоровья людей, животных и многих водных организмов^[29].

Содержание кадмия в фосфорсодержащих удобрениях может значительно различаться, что представляет определённую проблему. Например, в моноаммонийфосфатных удобрениях кадмий может содержаться в концентрации от 0,14 мг/кг до 50,9 мг/кг. Это обусловлено тем, что фосфатное сырьё, используемое для их производства, может содержать до 188 мг/кг кадмия. Одним из примеров такого сырья являются месторождения на островах Науру и Рождества.

Регулярное применение удобрений с высоким уровнем кадмия может привести к загрязнению почвы и растений. В связи с этим Европейская комиссия рассмотрела вопрос о введении ограничений на содержание кадмия в фосфорных удобрениях.

Производители фосфорных удобрений стали уделять больше внимания содержанию кадмия в фосфатном сырьё^[30]. Фосфатные породы содержат значительное количество фторидов, поэтому широкое применение фосфорных удобрений привело к повышению уровня фтора в почве.

Однако, как было установлено, загрязнение пищевых продуктов фтором, содержащимся в удобрениях, не представляет особой опасности, так как растения накапливают лишь незначительное количество этого элемента. Более серьёзная проблема — возможное токсическое воздействие фтора на домашний скот, который может проглатывать загрязнённую почву. Также стоит учесть возможное влияние фтора на почвенные микроорганизмы^[31].

Уровень радиоактивных веществ в удобрениях может значительно различаться различаться в зависимости от их концентрации в исходном минерале и от процесса производства удобрений. Концентрация урана-238 может варьироваться от 7 до 100 пКи/г в фосфоритной породе и от 1 до 67 пКи/г в фосфорных удобрениях.

При использовании высоких годовых норм фосфорных удобрений концентрация урана-238 в почве и дренажных водах может значительно возрасти. Однако влияние загрязнения продуктов питания радионуклидами на здоровье человека очень мало и составляет менее 0,05 мЗв/год.

Сельское хозяйство оказывает существенное воздействие на эрозию почвы и накопление осадков из-за интенсивного использования или неэффективного управления земельными ресурсами^[32]. По некоторым оценкам, деградация сельскохозяйственных земель приводит к снижению плодородия примерно 6 миллионов гектаров плодородных земель ежегодно^[33].

Накопление осадков (седиментация) в сточных водах может иметь разнообразное воздействие на качество воды. Осадки могут снижать пропускную способность канав, ручьёв, рек и судоходных каналов. Они также могут ограничивать количество света, попадающего в воду, что негативно сказывается на водной биоте. Мутность, вызванная накоплением осадков, может нарушить пищевые привычки рыб, что, в свою очередь, влияет на динамику их популяции. Кроме того, осадки способствуют переносу и накоплению загрязняющих веществ, таких как фосфор и различные пестициды^[34].

Естественные процессы, происходящие в почве, могут стать причиной выбросов различных парниковых газов, включая оксид азота. Методы ведения сельского хозяйства могут оказывать значительное влияние на уровень этих выбросов. Например, было установлено, что интенсивность обработки почвы также играет важную роль в образовании оксида азота^[35].

Навоз и твёрдые биологические отходы, несмотря на свою ценность как удобрения, могут содержать различные загрязняющие вещества, включая фармацевтические препараты и средства личной гигиены. Животные потребляют значительное количество таких продуктов^[36].

Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (ФАО) считает, что 18 % антропогенных парниковых газов в мире прямо или косвенно образуются в результате деятельности животноводства. В своём отчёте организация также утверждает, что выбросы от животноводства превышают выбросы от транспорта.

Хотя в настоящее время животноводство действительно влияет на формирование парниковых газов, эти оценки, некоторые считают, что оценки организации не совсем верны: ФАО использовала метод оценки жизненного цикла животноводства, который учитывает все аспекты, включая выбросы от выращивания культур на корм, транспортировку на убой и т. д. Однако для транспортного сектора такой подход не применялся^[37].

Некоторые альтернативные источники утверждают, что оценки, представленные ФАО, слишком скромны^[38]. Они считают, что на долю мирового животноводства может приходиться не 18 %, а 51 % всех выбросов парниковых газов в атмосферу^[39].

Критики объясняют эту разницу в оценках тем, что ФАО использует устаревшие данные. Однако, даже если принять во внимание оценки ФАО, всё равно животноводство является вторым по величине загрязнителем парниковыми газами.

Модель, разработанная американским журналом для публикации оригинальных научных исследований PNAS, показала, что даже если полностью исключить животных из сельского хозяйства и рациона питания США, выбросы парниковых газов в атмосферу сократятся лишь на 2,6 % (или 28 % от всех сельскохозяйственных выбросов парниковых газов).

Это связано с необходимостью замены навоза, который используется для удобрения, и других продуктов животного происхождения. Также в настоящее время скот потребляет многие побочные продукты переработки.

Кроме того, люди могут столкнуться с более значительным дефицитом основных питательных веществ. Это может привести к увеличению веса и ожирению^[40].

С развитием глобального сельского хозяйства происходит случайный перенос вредителей, сорняков и болезней в новые регионы. Если эти виды приживаются, они становятся инвазионными^[41]. Это может негативно сказаться на местных популяциях и создать угрозу для сельскохозяйственного производства^[12].

Например, перевозка шмелей, выращенных в Европе и предназначенных для коммерческого опыления в США и Канаде, привела к его распространению в Новом Свете^[42]. Это считается одной из причин сокращения численности местных шмелей в Северной Америке^[43].

Кроме того, инвазионные виды могут скрещиваться с местными, что приводит к снижению генетического биоразнообразия^[41] и, как следствие, создаёт риски для сельского хозяйства^[12].

Нарушение среды обитания, вызванное сельскохозяйственной деятельностью, также может привести к распространению этих интродуцированных организмов. Загрязнённая техника, скот и корма, а также заражённые семена сельскохозяйственных культур и пастбищ могут стать причиной распространения сорняков^[44].

Эффективным способом предотвращения распространения инвазионных видов является карантин. Он устанавливается на политическом уровне и является правовым инструментом, ограничивающим перемещение заражённых материалов.

В рамках Всемирной торговой организации действуют международные правила, касающиеся карантина вредителей и болезней, в соответствии с Соглашением о применении санитарных и фитосанитарных мер. Каждая страна имеет свои собственные карантинные правила.

Например, в США карантинные меры регулируют Министерство сельского хозяйства США и Служба инспекции здоровья животных и растений. Они контролируют как внутренние карантины (действующие на территории США), так и внешние (для импорта из-за рубежа). Инспекторы следят за соблюдением этих правил на границах между штатами и в портах въезда^[13].

Выращивание ГМО-культур может привести к нежелательным последствиям, таким как генетическое загрязнение местных растений. В результате гибридизации, местные виды могут стать сорными или даже исчезнуть. Кроме того, трансгенное растение само может стать сорняком, если его модифицированные свойства улучшат его приспособляемость к конкретной среде обитания^[12].

Также есть опасения, что нецелевые организмы, например, опылители и естественные враги, могут пострадать от случайного контакта с растениями, производящими Cry-токсин.

Исследование показало, что влияние пыльцы Cry-кукурузы на личинки бабочки данаида монарх, которые питаются растениями молочая, находящимися рядом с кукурузой, не несёт угрозы для популяций бабочки^[12].

Использование генетически модифицированных культур, которые устойчивы к гербицидам, может привести к увеличению загрязнения окружающей среды, связанному с применением этих веществ. Например, в некоторых районах США, таких как Средний Запад, частое использование гербицидов на полях с устойчивыми к ним кукурузными культурами приводит к снижению количества молочая, которые являются пищей для личинок данаиды монарха^[12].

В зависимости от вида организма и страны, регулирование производства генетически модифицированных организмов может различаться^[45].