Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Поведение и мониторинг ксенобиотиков (пестицидов) в агроэкосистемах (аналитический обзор) 17
1.1. Эколого-токсикологические аспекты применения пестицидов в земледелии 18
1.2. Поведение, состояние и биологическое действие пестицидов в агрофитоценозах 26
1.3. Моделирование и прогнозирование поведения пестицидов в окружающей среде 48
1.4. Мониторинг пестицидов в агроэкосистемах 56
Глава 2. Методология и методика изучения поведения и контроля содержания остаточных количеств пестицидов в почве и растениях 67
2.1. Количественная оценка скорости детоксикации и уровней содержания пестицидов в объектах агрофитоценозов 69
2.1 Л. Моделирование поведения пестицидов в почве и растениях 70
2.1.2. Разностный метод оценки влияния факторов на интенсивность превращений ксенобиотиков 78
2.2. Изучение поведения и контроль ксенобиотиков в почве 82
2.2Л. Влияние отдельных факторов на поведение ксенобиотиков в почве 82
2.2.2. Сравнительный критерий персистентности ксенобиотиков в почве 100
2.3. Поведение ксенобиотиков в растительных объектах 107
2.3.1. Динамика содержания остатков пестицидов в растениях 108
2.3.2. Влияние роста фитомассы на динамику ксенобиотиков в растениях П9
2.4. Методика контроля и изучения поведения пестицидов в почве и растениях 129
Глава 3. Взаимодействие фитотоксикантов и средств химизации при совместном применении 142
3.L Методика оценки взаимодействия фитотоксикантов и средств химизации 142
3.2. Экспериментальная оценка методики 149
Глава 4. Э кол о го-токсикологическая оценка метаболитов и изомеров ксенобиотиков 159
4.1. Интегральная токсичность ксенобиотиков и продуктов их превращений 159
4.2. Оценка допустимого содержания ксенобиотиков и продуктов их превращений в растительной продукции 167
Глава 5. Оценка фнтотоксического последействия гербицидов на сельскохозяйственные культуры , 171
5.1. Фитотоксичность перенстентных гербицидов и их метаболитов 171
5.2. Контроль и дифференцированное нормирование сим-трпазиновых гербицидов в почве сельхозугодий 183
5.3. Экономическая оценка фнтотоксического последействия гербицидов 193
Глава 6. Прогнозирование персистентности и уровней накопления остаточных количеств пестицидов в почве 197
6.1. Прогнозирование с применением имитационных математических моделей поведения пестицидов в почве 198
6.2. Прогнозирование персистентности пестицидов в почве с привлечением факторного анализа 203
Заключение 209
Выводы 214
Научно-практические рекомендации 218
Список литературы 220
Приложения 256
- Эколого-токсикологические аспекты применения пестицидов в земледелии
- Моделирование поведения пестицидов в почве и растениях
- Экспериментальная оценка методики
Введение к работе
Интенсивное развитие промышленного и сельскохозяйственного производства, активное использование в различных отраслях народного хозяйства химических средств ведет к появлению в окружающей среде большого числа разнообразных химических соединений, загрязняющих биосферу и отрицательно влияющих как на состояние природной среды, так и на здоровье человека.
Среди химических загрязнителей окружающей среды немалая доля принадлежит ксенобиотикам — веществам неприродного происхождения (xenos -чужой, biotos — жизнь; греч.). Общее число ксенобиотиков неизвестно; по различным оценкам, человек в своей жизни использует около 60 тыс. химических веществ, большинство из которых созданы целенаправленно и являются чужеродными для природной среды [130]. Контроль и изучение поведения ксенобиотиков в биоэкосистемах происходят в рамках общегосударственных и ведомственных программ по охране окружающей среды, а также при проведении соответствующих научных исследований. Целевым изучением закономерностей и путей поступления, выведения, распространения и превращения чужеродных химических соединений в живых организмах и механизмов вызываемых ими биологических реакций занимается ксенобиология [226].
Основной системной формой контроля ксенобиотиков и других контами-нантов окружающей среды является мониторинг. Существуют различные определения этого понятия [68,131,132,139,151]. В Федеральном Законе «Об охране окружающей среды» [139], в частности, дано следующее определение: «Мониторинг окружающей среды (экологический мониторинг) - комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов».
Экологический мониторинг подразделяется на следующие виды [10]: 1. Глобальный - проводится в мировом масштабе или в пределах одного-
двух материков.
Национальный - проводится на территории одного государства,
Региональный — проводится на большой территории одного государства или сопредельных территориях нескольких государств.
Локальный - проводится на небольшой территории города, водного объекта, района крупного предприятия и т.п.
Импактный (точечный) — проводится в непосредственной близости к источнику поступления в окружающую среду загрязняющих веществ. Отдельным видом является фоновый мониторинг, позволяющий оценить
эталонное состояние окружающей среды и ее изменения в условиях минимального антропогенного воздействия. Результаты фонового мониторинга необходимы для анализа данных, полученных в ходе мониторинга других видов. Фоновый мониторинг проводится, как правило, в рамках глобального или национального, но может быть также организован при проведении локального мониторинга.
По методам ведения выделяют биологический, химический, геофизический, автоматический и ряд других видов мониторинга. При этом учитывают как природные, так и антропогенные источники загрязнения окружающей среды. В качестве антропогенных источников постоянного действия могут выступать всё виды промышленности, энергетика, добыча полезных ископаемых, сельское хозяйство и бытовая деятельность. Антропогенные катастрофы и войны являются антропогенными источниками загрязнения окружающей среды периодического действия.
Одной из глобальных экологических проблем, возникающих в результате сельскохозяйственной деятельности человека, является негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человека пестицидов - химических веществ, предназначенных для борьбы с вредными организмами и возбудителями болезней как непосредственно в сельскохозяйственном производстве, так и в ряде других отраслей народного хозяйства (лесное хозяйство, санитарно-эпидемиологический надзор и др.). В качестве пестицидов используется значительное число химических соединений, относящихся к более чем 100 классам [72].
Большинство из них являются синтезированными для конкретных целей органическими соединениями, выступающими в качестве типичных ксенобиотиков при поступлении в те или иные экосистемы. Пестициды и близкие им соединения составляют 3-5% от общего количества различных химических соединений, являющихся продуктами хозяйственной деятельности человека и выявленных в окружающей природной среде [172].
Особенностью пестицидов, применяемых в земледелии, является необходимость их внесения непосредственно в агрофитоценозы для достижения хозяйственной цели. Если рассматривать применение пестицида как источник загрязнения окружающей среды, то такой источник будет характеризоваться некими площадными (территориальными) параметрами, предполагающими его отнесение скорее к локальным, чем к импактным источникам загрязнения природной среды. Следует отметить и вторую особенность пестицидов, связанную с обязательным наличием в их свойствах выраженной токсичности по отношению к отдельным биологическим мишеням или к определенной совокупности таких мишеней при рабочих концентрациях препаратов.
Вследствие указанных особенностей представляется теоретически и практически актуальной задача по разработке методологических и методических аспектов мониторинга ксенобиотиков в агроэкосистемах на примере пестицидов как распространенного, но в то же время четко очерченного класса ксенобиотиков.
Одной из практических целей при проведении таких исследований является снижение негативных последствий применения пестицидов как для окружающей среды в целом, так и непосредственно для сельскохозяйственного производства. Наглядным примером достижения положительных «ведомственных» целей может служить изучение фитотоксического последействия пестицидов на сельскохозяйственные культуры и практическая реализация результатов этих исследований, имеющих очевидную экономическую значимость.
Проблема минимизации ущерба от пестицидов имеет законодательную основу. Необходимость снижения и предотвращения негативных экологиче-
ских и гигиенических последствий применения пестицидов отражена в новой
редакции Закона «Об охране окружающей среды» и ряде документов Минздрава РФ, вышедших в последние годы. В частности, статья 49 Закона содержит требование о запрещении применения в сельском хозяйстве токсичных химических препаратов, не подвергающихся распаду, то есть высокоперсистентных [139]. Санитарные правила, действующие с 1 февраля 2002 года, вводят ограничения в порядок хранения, применения и транспортировки пестицидов с учетом гигиенических требований [39].
В диссертационной работе эколого-токсикологические проблемы, возникающие при применении пестицидов в земледелии, а также методологические аспекты мониторинга их остаточных количеств в почве, растениях и других природных объектах рассматриваются на примере ряда традиционных препаратов, наиболее характерных с точки зрения экологических, токсикологических и гигиенических свойств, а также наиболее типичных пестицидов, разработанных и внедряемых в сельскохозяйственную практику в последние годы.
В этом плане несомненный интерес представляют хлорорганические пестициды, относящиеся к персистентным препаратам: они широко применялись во всем мире и продолжают применяться во многих развивающихся странах [232,366].
Весьма показательна ситуация с ДДТ, который стал своего рода символом проблемы «пестициды-экология-человек». Несмотря на то, что применение препарата запрещено в большинстве развитых стран (Советский Союз ввел запрет в числе первых в 1969 г.), высокая персистентность и глобальная миграция обусловливают необходимость регулярного контроля и изучения поведения его остаточных количеств в окружающей среде. Использование ДДТ в ряде стран «подпитывает» те миграционные потоки и уровни накопления его остатков и метаболитов, которые сложились во время интенсивного применения препарата в 50-60-е годы прошлого столетия. Актуальность исследований по этому препарату подкрепляется также отнесением ДДТ наряду с некоторыми другими хлорорганическими пестицидами к стойким органическим загрязнителям, по
8 которым мировое сообщество, в том числе и Россия, проводит большую работу
в рамках международных и национальных программ [187,347].
Из традиционных гербицидов рассматриваются в основном сим-триазины и соединения группы 2,4-Д, Первые являются типичными персистентными препаратами и создают наряду с прочими проблемы фитотоксичности в севооборотах. Гербициды группы 2,4-Д широко применяются во всем мире. В США 15 лет назад каждый двадцатый килограмм использованного в земледелии гербицида приходился на долю 2,4-Д [396]. Одно из ведущих мест этот препарат занимает и в отечественном ассортименте гербицидов. Вещества группы 2,4-Д в силу этих свойств (сравнительно низкая персистентность, высокая растворимость в воде) представляют интерес и как своего рода экологические «антиподы» сим-триазинов.
На приоритетный характер хлорорганических инсектицидов и сим-триазиновых гербицидов как объектов экологического мониторинга указывают Ю.Я.Спиридонов и соавт. [175] и ряд других авторов [131,194].
Из современных пестицидов основное внимание уделяется пиретроидным инсектицидам и гербицидам класса сульфонилмочевин, токсиколого-гигиени-чсские особенности которых должны учитываться при массовых применениях препаратов, несмотря на их низкие дозировки.
Проблема остаточных количеств пестицидов в окружающей среде много-планова, что обусловлено различием физико-химических и токсиколого-гигиенических характеристик пестицидов, особенностью их поведения, зависящего не только от свойств самих препаратов, но и от природных факторов, возможностью комплексного внесения пестицидов различного функционального назначения (борьба с вредителями, болезнями растений и сорняками на одних и тех же угодьях), а также совместно с другими средствами химизации, технической оснащенностью мероприятий по защите растений и др. Все эти особенности не в полной мере учитывались при создании и реализации ведомственных систем мониторинга остаточных количеств пестицидов, поэтому была сделана попытка рассмотреть некоторые теоретические и методологические
9 аспекты мониторинга пестицидов в агроэкосистемах и использовать их в практике эколого-токсикологического мониторинга сельхозугодий.
В настоящей работе на основании исследований автора, научных публикаций, данных агрохимической службы Советского Союза и Российской Федерации предложены методологические и методические подходы к организации и проведению ведомственного мониторинга остаточных количеств пестицидов как типичных ксенобиотиков в агроэкосистемах, разработаны критерии оценки отдельных и совокупных факторов в процессе самоочищения отдельных природных компонентов и сред и представлены варианты прогнозирования уровней накопления пестицидов в почве сельхозугодий.
Цель исследований состояла в разработке системного научно обоснованного подхода к организации и проведению работ по изучению поведения и контролю содержания остаточных количеств пестицидов в почве и растениях как основных объектов агроэкосистем. Основные задачи исследований включали:
количественную оценку скорости детоксикации пестицидов в почве и растениях и влияния на этот процесс отдельных природных и антропогенных факторов;
разработку моделей, описывающих динамику содержания пестицидов в изучаемых объектах;
изучение роли метаболитов и изомеров пестицидов в интегральной токсичности ксенобиотиков;
оценку фитотоксического последействия персистентных гербицидов на сельскохозяйственные культуры;
разработку прогностических моделей для оценки персистентности и уровней накопления пестицидов в почве;
разработку методики контроля и изучения поведения пестицидов в почве и растениях.
10 Научная новизна.
В целях методологического и методического обеспечения контроля за эколого-токсикологическими последствиями применения средств химизации в земледелии выполнены исследования, которые позволяют обосновать и рекомендовать систему мероприятий по изучению поведения и контролю содержания ксенобиотиков в почве сельхозугодий и растениях в рамках реализации ведомственного и общегосударственного мониторинга состояния окружающей природной среды.
Впервые предложен комплекс количественных методов оценки поведения и уровней содержания остаточных количеств пестицидов как наиболее типичных представителей сельскохозяйственных ксенобиотиков в почве и растениях. При этом разработан и использован разностный метод оценки влияния различных факторов на динамику содержания пестицидов в исследуемых объектах. Для растений с применением этого метода предложено количественно оценивать биоразбавление как фактор, снижающий содержание ксенобиотиков в объекте.
Для оценки потенциальной экологической опасности при совместном присутствии в объектах различных изомеров и метаболитов действующих веществ пестицидов предложены показатели «интегральная токсичность» и «индекс лерсистентности ксенобиотика» (ИПК). Показана возможность использования ИПК для классификации пестицидов, а также зональный характер ИПК для отдельных препаратов.
Изучен метаболизм сим-триазиновых гербицидов, показана роль метаболитов в проявлении фитотоксического последействия гербицидов на чувствительные сельскохозяйственные культуры. Впервые фитотоксичность гербицидов предложено использовать в качестве фактора дифференцированного нормирования их остаточных количеств в почве сельхозугодий. Этот подход реализован в официально утвержденных нормативах допустимого содержания сим-триазиновых гербицидов в почве. Разработан также расчетный метод для
оценки допустимого содержания сим-триазинов и их метаболитов в контролируемых объектах.
Рассмотрены возможные потери урожая от фитотоксичности гербицидов по различным культурам в различных регионах. Впервые предложена методика для экономической оценки подобных потерь.
Для персистентных пестицидов разработаны методы прогнозирования содержания их остаточных количеств в почве сельхозугодий с учетом действия различных варьируемых факторов. Обобщены данные об уровнях содержания и характере поведения пестицидов в почве и растительных объектах для различных регионов страны.
Научные разработки реализованы в комплексе нормативно-методических документов, которые были внедрены в работу токсикологических подразделений агрохимической службы страны. На защиту выносятся следующие положения:
Методология системного подхода к изучению поведения и контролю содержания сельскохозяйственных ксенобиотиков (пестицидов) в агрофитоцено-зах.
Количественная зависимость скорости детоксикации и уровней содержания остаточных количеств пестицидов и почве и растениях от комплекса природно-климатических и технологических факторов.
Эколого-токсикологическая оценка процессов метаболизма и изомеров пестицидов в процессе естественной трансформации и накопления экотокси-кантов в окружающей среде.
Агроэкологическая и экономическая концепция оценки фитотоксич ее кого последействия гербицидов на чувствительные сельскохозяйственные культуры.
Методологическое и экспериментальное обоснование дифференцированных нормативов допустимого содержания сим-триазиновых гербицидов в почве сельхозугодий.
12 Практическая значимость работы.
Результаты проведенных исследований были использованы для разработки нормативов допустимого содержания сим-триазиновых гербицидов в почве по фитотоксическому показателю, при разработке ГОСТа, двух заявок на авторские свидетельства, методических указаний и рекомендаций для подразделений агрохимической службы; сводные данные по содержанию остаточных количеств пестицидов в почве и растениях и характеру их поведения в различных почвенно-климатических условиях публиковались в 1982-1991 гг. в ежегодном «Обзоре фонового состояния окружающей природной среды в СССР» (М., Гидрометеоиздат), «Ежегоднике загрязнения почв Советского Союза» (Обнинск, НПО «Тайфун»), Национальных докладах по состоянию окружающей среды. Методические материалы использовались в лекциях и семинарах для специалистов-токсикологов ведомственных служб Минсельхозпрода и специалистов-экологов. Объекты, методы и условия проведения исследований.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИР Центрального НИИ агрохимического обслуживания сельского хозяйства (ЦИНАО) по Общесоюзной научно-технической программе 0.51.02, задание 04.03.Н1 «Разработать и внедрить систему контроля и прогноза за качеством урожая, загрязнением почв, продукции растениеводства остаточными количествами пестицидов, нитратами, радионуклидами и рекомендации по снижению их отрицательного воздействия в условиях интенсивной химизации земледелия», по научно-технической проблеме 0.85.05 «Составление прогноза возможных изменений в окружающей среде под влиянием хозяйственной деятельности на период до 1990 г. и разработка рекомендаций по снижению ее отрицательного воздействия на окружающую среду», а также по «Программе фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001-2005 гг.».
ІЗ Отдельные положения и выводы диссертации опираются на собственные
экспериментальные данные, которые получены в опытах, проведенных совместно с сотрудниками лаборатории сельскохозяйственной токсикологии ЦИ-ЫАО, сотрудниками бывших филиалов ЦИНАО (Алма-Атинского и Ленинградского) и ряда станций химизации агрохимической службы Советского Союза. Условия проведения опытов описаны в соответствующих главах и разделах диссертации. Использованы также данные литературных источников и станций химизации агрохимической службы Советского Союза, полученные в соответствии с ведомственной «Программой работ проектно-изыскательских станций химизации сельского хозяйства и агрохимических лабораторий объединения «Союзсельхозхимия»» и «Программой работ токсикологических групп агрохимической службы». Данные получены в различных почвенно-климати-ческих условиях и регионах, включая бывшие союзные республики СССР-Объектами экспериментальных исследований были почвы и сельскохозяйственные растения. В полевых и лабораторных опытах изучали поведение хлорорганических инсектицидов (п,п'-ДДТ и его метаболиты; альфа-, бета- и гамма ГХЦГ) и сим-триазиновых гербицидов (атразин, симазин и их деалкотированные метаболиты). Определение остаточных количеств пестицидов в почве и растениях проводили методом газожидкостной хроматографии с использованием общепринятых официальных методик [125,127,142]. Величины допустимых отклонений единичных определений не превышали значений, приведенных в табл. 1. В отдельных опытах применяли метод биотестирования с использованием овса в качестве тест-культуры.
Теоретические исследования проведены автором преимущественно самостоятельно; общие положения методики контроля и изучения поведения пестицидов в окружающей среде в системе агрохимической службы страны разрабатывались коллективно в лаборатории сельскохозяйственной токсикологии ЦИНАО; в публикациях с соавторами совместно проводились экспериментальные исследования или обобщение имеющихся научных данных. Автором самостоятельно написана монография, опубликовано 37 научных работы (из общего
числа работ по теме 70), один обзор, одни методические указания и одни рекомендации.
Таблица 1 Величины допустимых отклонений единичных определений
для интервалов количества пестицидов в почве и растениях [33]
Апробация работы.
Теоретические положения и результаты исследований докладывались на 111, IV и V Всесоюзных совещаниях по миграции загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах (Обнинск, ИЭМ, 1981, 1983, 1987); Всесоюзном симпозиуме по стандартизации в области охраны природы (Рига, 1982); II Всесоюзной конференции по применению математических методов и ЭВМ в почвоведении (Пущино, 1983); заседании экспертной группы по программе
15 СССР/ЮНЕП «Воздействие сельскохозяйственного производства на окружающую среду» (Москва, 1983); Всесоюзной конференции «Современные методы исследования почв» (Москва, МГУ, 1983); секции по гигиеническому нормированию содержания пестицидов в почве Комитета по изучению и регламентированию применения пестицидов при Минздраве СССР (Киев, ВНИИГИНТОКС, 1985); Всесоюзной научно-технической конференции «Комплексное использование пестицидов и других средств химизации в земледелии» (Воронеж, 1986); Всесоюзном семинаре «Эколого-экономические проблемы использования пестицидов в народном хозяйстве» (Софрино, 1987); Всесоюзном совещании «Роль микроорганизмов в деградации пестицидов и охране окружающей среды» (Комарове, 1987); Международном симпозиуме МАГАТЭ/ФАО «Изменяющиеся перспективы использования агрохимикатов: изотопные методы в исследованиях последствий для пищевых продуктов и окружающей среды» (ФРГ, Мюнхен, 1987); I, II, III и IV Всесоюзных конференциях по аналитической химии сельскохозяйственных объектов (Москва, ТСХА, 1988, 1989, 1990, 1991); научно-практической конференции «Современные проблемы промышленной экологии» (Орел, ГТУ, 1999); субрегиональных совещаниях ЦМТТ/ЮНЕП по инвентаризации запасов устаревших пестицидов (Ростов-на-Дону, 2001; Архангельск, 2002; Краснодар, 2003; Москва, 2003; Киев, 2003; Бишкек, 2004), Всероссийской научно-практической конференции «Агроэкологические проблемы сельскохозяйственного производства в условиях техногенного загрязнения агроэко-систем» (Казань, 2001), Всероссийской конференции по проблеме стойких органических загрязнителей (Москва, 2002), на 2-м съезде токсикологов России (Москва, 2003) и ряде других конференций, совещаний и семинаров. Методические вопросы обсуждались на семинарах и курсах повышения квалификации для специалистов агрохимической службы и других смежных служб, заседаниях методических комиссий и Ученого совета ЦИНАО.
Публикации по диссертационной работе.
Основные положения диссертации опубликованы более чем в ста работах, в том числе в одной монографии («Пестициды и охрана агрофитоценозов»,
M., 1992, 270 с), пяти аналитических обзорах, более 70 статьях и тезисах в научных изданиях. Автором получено два авторских свидетельства, разработан один ГОСТ.
Автор благодарит
научного консультанта академика РАСХН В.Ф.Ладошша за многолетнее конструктивное внимание к работе;
председателя и членов Ученого совета ЦИНАО В.Г.Сычева, И.П.Макарова, Е.Н.Ефремова, А.Н.Орлову, А.В.Пуховского и других за доброжелательное отношение к работе, обсуждение результатов и полезные советы;
профессоров Московской сельскохозяйственной академии им. К.А.Тимирязева В.А.Черникова, В.А.Калинина и А.И.Карпухина за критические замечания и советы при подготовке диссертационной работы;
работающих и работавших сотрудников отдела агроэкологических исследований ЦИНАО (ВНИИА им.Д.Н.Прянишникова) А.В.Кузнецова, Л.Г.Крето-ву, В.В.Василенко, Л.Ю.Чиликину, Л.Л.Поповичеву, Л.Я.Каримбаеву, И.И.Мирошниченко, И.Д.Новикову, А.П.Сизова, Ю.М.Матвеева, Г.Н.Тюняе-ву и других за сотрудничество и помощь при проведении исследований и подготовке диссертации;
соавторов публикаций Г.Ф.Лебедеву, Е.Г.Моложанову, В.Г.Цукермана, Б.А.Розенкроне, Л.Г.Груздева, О.Л.Буткову, Г.Ц.Асланяна и других за совместный интерес к научной проблеме и его реализацию.
Эколого-токсикологические аспекты применения пестицидов в земледелии
В настоящее время реализуется лишь определенная часть потенциальной продуктивности сельскохозяйственных культур. Например, в ряде стран с развитым земледелием средняя урожайность пшеницы, риса и кукурузы составляет соответственно 5,9; 6,6 и 6,9 т/га, тогда как в опытах она достигла 14,0; 14,0 и 22,0 т/га [42].
Значительные колебания урожайности связаны не только с почвенно-климатическими и погодными условиями, но и с потерями от вредителей, болезней и сорняков. Вредные организмы, по данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), приводят к потере до 30% потенциального урожая различных сельскохозяйственных культур. Иными словами, каждый трети й-четвертый человек в мире, занятый в земледелии, работает, не давая реального конечного продукта своего труда.
Доля участия вредителей, болезней и сорняков в потере урожая различается по культурам (табл. 2).
В отдельные годы вредные организмы могут вызывать полную гибель урожая некоторых сельскохозяйственных культур на значительных площадях.Чем выше урожай, тем больше усилий требуется для сохранения и защиты от многочисленных вредителей. Важную роль в решении этих задач играют пестициды [59,116].
Сопоставление урожайности основных сельскохозяйственных культур и средней плотности применения химических средств зашиты растений показывает, что между этими величинами существует четко выраженная корреляция (табл. 3). Наряду с повышением урожайности пестициды позволяют существенно сократить затраты труда. В США, например, при выращивании кукурузы
Таблица 3 Урожайность основных сельскохозяйственных культур и расход пестицидов [226] на удаление сорняков расходовали 1,41 чел.-ч. при культивации, 0,12 - при внесении атразина и 148 чел.-ч. при ручной прополке. Урожайность кукурузы составила соответственно 5080, 5645 и 5770 кг/га, тогда как на посевах, где сорняки не уничтожались, она не превышала 3387 кг/га [117].
Пестициды наряду с сельским хозяйством используются для решения других хозяйственных задач, однако в большинстве случаев сфера их сельско 20 хозяйственного применения является преобладающей. В Калифорнии, например, на долю сельскохозяйственного производства приходится 90,9% от общего объема применения пестицидов (в действующем веществе), послеуборочной обработки продукции - 2,7%, фумигации помещений - 2,9%, поддержания ландшафтов (обочин шоссе, газонов и др.) - 0,7%, прочих видов применения -2,8% [75].
Внедрение новых пестицидных препаратов в сельскохозяйственное производство требует все более серьезных финансовых затрат и времени. За период с 1975-1980 гг. по 1990-1995 гг. расходы на исследования и разработку нового препарата возросли с 50 млн. до 250 млн. немецких марок, а сроки от начала разработки до выхода на рынок увеличились до 8-10 лет [61]. Вместе с тем, по окупаемости затрачиваемых средств химическая защита растений остается весьма- рентабельной сферой хозяйственной деятельности [29,42,58,110]. В конце 80-х годов чистая прибыль от использования химических средств защиты растений на 1 руб. затрат составляла 4,3 руб. Аналогичный показатель по минеральным удобрениям был равен 2,2 руб., органическим - 1,4, известкованию почв 1,6 руб.
В России в последнее десятилетие в результате снижения общей культуры земледелия и объемов защитных мероприятий существенно выросли потери урожая от вредителей, болезней и сорняков. Если в 1986-1990 гг. активные защитные мероприятия в среднем ежегодно осуществлялись на площади 61,1 млн. га, то в 1991-1995 гг. этот показатель снизился до 31,7 млн. га. За тот же период понизились также хозяйственная эффективность защитных мероприятий (предотвращение потерь с 29,2% до 13,4% от потенциальных) и экономическая эффективность применения пестицидов (показатель рентабельности со 144 до 80%) [57].
Применение пестицидов снизилось в целом по России и по отдельным ее регионам. Так, в Краснодарском крае за период с 1986 по 1994 год площади, на которых были применены инсектициды и фунгициды, сократились с 10 до 1,5 млн. га [146]. Площади, обрабатываемые гербицидами, также начали снижаться начиная с 1991 года. Существенно изменился ассортимент применяемых пестицидов. За 10 лет с 1985 по 1995 гг. доля хлорорганических препаратов (временно разрешенные для доиспользования остатки) уменьшилась в 3 раза, доля фосфорорганических препаратов снизилась незначительно, однако значительно увеличились объемы применения синтетических пиретроидов и других инсек-тоакарицидов новых групп.
Следует отметить, что даже при общем снижении объемов и эффективности применения пестицидов их уровень рентабельности остается достаточно высоким. Так, в Татарстане за последние 10 лет рентабельность применения пестицидов по отдельным культурам в среднем составила для зерновых и зернобобовых культур 358%, для технических - 324%, картофеля - 454%, овощей -370% [164].
Моделирование поведения пестицидов в почве и растениях
Длительность сохранения и поведение пестицидов в агрофитоценозах определяются его физико-химическими свойствами и совместным действием физических, химических, биологических и других факторов [2,96,120,172,181,202, 225,322,339]. Изучение динамики содержания пестицида в почве и растениях может использоваться в качестве одного из методов оценки его устойчивости в этих объектах и степени влияния тех или иных факторов на этот показатель.
Большинство исследований, связанных с применением пестицидов, сопровождается изучением поведения их остатков в объектах окружающей среды [94,104,120,172,303]. При этом опытные данные по изучению динамики содержания пестицида в объекте зачастую носят описательный характер. Обычно указывается начальная концентрация пестицида, которая содержалась в объекте при применении той или иной дозы препарата, и период, в течение которого концентрация пестицида в объекте снижается до нуля или какого-либо определенного значения. Данные о содержании остатков пестицида в пробах в промежуточные сроки их отборов в обсуждении результатов используются обычно в значительно меньшей мере. Вместе с тем, именно рассмотрение всех результатов в комплексе с привлечением математических методов позволяет получить более достоверную усредненную характеристику изменения концентрации пестицида в объекте, и перейти от качественного или полуколичественного к строго количественному описанию этого процесса [98,103,181]. Такой подход дает возможность изучить влияние различных факторов на поведение пестицидов и сопоставить результаты отдельных исследований, проводимых в различных условиях.
Анализ многочисленных данных агрохимической службы и литературных источников показывает, что кривые динамики содержания остатков пестицидов в почве и растениях (графики зависимости концентрации пестицида от времени C /(t)) могут существенно различаться [99,103,154,165,175,283]. Примеры некоторых типов кривых приведены на рис. 3. Наиболее распространенным типом кривых является тип 1, однако нередко (особенно в случае перси-стентных пестицидов) кривая динамики остатков в почве имеет вид линейной зависимости (тип 2). Наряду с этими простыми кривыми в результате исследований могут быть получены и более сложные зависимости C=/(t) (рис. 3, кривые 3-5, а также изображенный пунктиром экстремум на кривой 1). Сопоставление кривых, отражающих результаты изучения динамики остатков пестицидов в почве и растениях, по координатам образующих их точек Cj,t; вызывает определенные трудности. Оно возможно только с привлечением соответствующих качественных и количественных расчетных критериев.
Для описания зависимостей C=/(t), которым отвечают кривые типа 1 (рис. 3), используются различные эмпирические математические модели. Наибольшее распространение получила экспоненциальная модель, в соответствии с которой уменьшение содержания препарата в объекте описывается кинетическим уравнением химической реакции первого порядка" (табл. 7, модель I) [91,103, 181]. Путем приведения этого уравнения к виду 1пС= 1пС0- kit и построения на основании экспериментальных данных уравнения регрессии У = А + ВХ могут быть найдены значения начальной концентрации пестицида в почве (С0) и периода разложения остатков пестицида на а % (Та) (табл. 7). Обычно рассматривают значения а, равные 50%, 90%, 95% и 99% [35,98,103].
Особенность экспоненциальной модели состоит в том, что при различии абсолютных скоростей в различные моменты времени относительная скорость соответствующего этой модели процесса является величиной, не зависящей от времени. Это означает, что период полуразложеиия препарата Tso, рассчитанный на основании уравнения экспоненты, также не зависит от t (т.е. в любой момент времени t значение Т;о будет одним и тем же) и является характеристическим показателем, с помощью которого можно оценивать интенсивность процесса детоксикации остатков пестицида.
Экспериментальная оценка методики
Величины R в различных вариантах (R/JH, R-ЗН, &2В ROB - см. табл. 32) использованы для оценки степени и характера взаимодействия различных средств химизации и ксенобиотиков в бинарных и тройных смесях в различных сочетаниях и условиях. В качестве исходных взяты результаты собственных исследований и опубликованные данные, полученные различными авторами опытным путем.
Эффект «на понижение» наиболее часто реализуется при изучении взаимодействия гербицидов и регуляторов роста растений. Как отмечалось выше, одновременно наблюдаются эффекты, в которых значение других показателей повышается. Разнонаправленность действия ретардантов хлорхолинхлори-да, гидрела и дигидрела на различные показатели отражена в табл. 33.
Исходя из значения коэффициента R, в бинарных смесях ретардантов наблюдается выраженный синергизм по действию на длину стебля растения. Взаимное действие компонентов на увеличение числа пестичных цветков в обеих смесях сопровождается некоторым торможением (антагонизмом), а снижение числа тычиночных цветков в обеих смесях дает практически суммаци-онный результат. Итоговый показатель - урожай культуры —демонстрирует для смесей также несколько различающийся результат. Смесь хлорхолинхлорида с гидрелом по отношению к урожаю огурца показывает некоторое торможение во взаимном действии компонентов, а вторая смесь (хлорхолинхлорид + дигид-рел) дает суммационный эффект.
Информативность коэффициента взаимодействия R существенно повышается при оценке результатов многофакторных опытов. Обработка данных, полученных в вегетационном опыте при изучении влияния бинарной смеси глифосата с 2,4-Д и дикамбой на поражение сорняка вьюнка полевого, демонстрирует наличие устойчивых зависимостей при варьировании доз отдельных компонентов смеси (табл. 34). Основной вывод, который следует из приведенных данных, состоит в том, что обе смеси являются преимущественно синерги-стическими при малых опытных дозах гербицидов и суммационными при больших опытных дозах. В наибольшей мере синергизм проявляется в подавлении процесса отрастания побегов сорняка, в меньшей степени — в подавлении роста побегов и корней сорняка. Значения R также наглядно демонстрируют, что 2,4-Д является более «синергистичным» компонентом в смеси с глифоса-том, чем дикамба, особенно при малых и средних дозах гербицидов.Оптимизация минерального питания сельскохозяйственных культур всегда была одной из основных задач агрохимического обслуживания земледелия. Выбор оптимального соотношения питательных элементов позволяет решать не только экономические, но и экологические вопросы, снижая себестоимость продукции и одновременно предотвращая негативное воздействие средств химизации на окружающую среду.
При оценке взаимодействия азотных и фосфорных удобрений использованы результаты 3-летних опытов с озимой пшеницей (табл. 35). Из приведенных значений коэффициента R следует, что в наиболее неблагоприятном по погодным условиям 1972 году при всех опытных дозах N и Р в их взаимодействии по отношению к урожаю пшеницы наблюдался синергизм. В более благоприятных 1971 и 1973 годах взаимодействие носило преимущественно антагонистический характер. В 1971 году наблюдалась устойчивая тенденция по уменьшению значения R на фоне постоянной дозы Р и увеличения дозы N. При этом характер взаимодействия менялся с синергистического на антагонистический.
Сопоставление средних значений коэффициента взаимодействия R по годам и урожайности озимой пшеницы показывает, что между этими величинами существует обратно пропорциональная зависимость (табл. 36). Линеаризация зависимости дает следующее уравнение (коэффициент детерминации 0,99 для обеих выражений):
R = - 0,071 -yNP + 4,17 = - 0,07б-Ук + 3,50.
Результаты данного опыта количественно подтверждают вывод, что эффективность комплексного применения питательных веществ более высока при менее благоприятных условиях возделывания сельскохозяйственной культуры.
