Оценка токсической опасности современных систем химической защиты полевых культур : моделирование деградации пестицидов в почве

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»




А. Н. ПОЛТАВСКИЙ, К. С. АРТОХИН


ОЦЕНКА ТОКСИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ХИМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ПОЛЕВЫХ КУЛЬТУР
Моделирование деградации пестицидов в почве


Монография








Ростов-на-Дону - Таганрог Издательство Южного федерального университета 2020

УДК [632.95.02+632.954]:504.5=047.36(035.3)
ББК 40.4
     П52

Печатается по решению учёного совета Академии биологии и биотехнологии им. Д. И. Ивановского Южного федерального университета (протокол № 1 от 4 февраля 2020 г.)


Рецензенты:
профессор кафедры почвоведения и оценки земельных ресурсов Академии биологии и биотехнологии ЮФУ, доктор биологических наук О. С. Безуглова;
ведущий научный сотрудник лаборатории биологического земледелия и защиты растений, заместитель директора по научной работе ФГБНУ «Федеральный Ростовский аграрный научный центр», кандидат сельскохозяйственных наук А. В. Гринько
      Полтавский, А. Н.
П52 Оценка токсической опасности современных систем химической защиты полевых культур (Моделирование деградации пестицидов в почве) : монография / А. Н. Полтавский, К. С. Артохин ; Южный федеральный университет. - Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2020. - 188 с.
         ISBN 978-5-9275-3528-6
         DOI: 10.18522/801273172
         Монография посвящена математическому моделированию процессов деградации пестицидов в почве в масштабах полевых севооборотов, практикуемых в Ростовской области и Краснодарском крае. Используется метод имитационного моделирования на основе известных значений периодов полураспада действующих веществ в почве. Критерием сравнительной оценки систем химической защиты растений является агроэкотоксиколо-гический индекс (АЭТИ), который вычисляется в динамике ежедекадно в течение всего года. Проанализированы 14 моделей 5-6- и 12-польных севооборотов, составленные на основе препаратов от разных производителей. Также для сравнения проанализирована одна система защиты яблоневого сада. Установлено, что наибольшее токсическое загрязнение вызывает гербицид глифосат, который рекомендуется убирать из систем защиты растений. При подборе разных пестицидов для решения одних и тех же задач контроля целевых объектов возможно существенно увеличить период, в течение которого на поле сохраняется незначительная токсическая опасность от 45 до 77 % времени севооборота.
         Монография подготовлена в процессе работ по теме государственного задания Минобрнауки России № 6.6222.2017/БЧ: «Разработка стратегии, методов и технологий сохранения и рационального использования биологического разнообразия в условиях природных и урбанизированных территорий степной зоны европейской части России».
УДК [632.95.02+632.954]:504.5=047.36(035.3)
ББК 40.4
      ISBN 978-5-9275-3528-6       © Южный федеральный университет, 2020
                                   © Полтавский А. Н., Артохин К. С., 2020
                                   © Оформление. Макет. Издательство Южного федерального университета, 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................4
1. Защита растений в ландшафтной системе земледелия......7
  1.1. Общие принципы стабилизации фитосанитарного состояния агробиоценозов ..............................7
  1.2. Интегрированная защита растений в рамках экологоадаптивной концепции контроля численности вредных организмов............................................11
  1.3. Снижение норм внесения инсектицидов против вредителей полевых культур.....................13
  1.4. Пестициды в агроценозах и энтомофауна............15
  1.5. Здоровая почва - основа устойчивого развития сельского хозяйства...................................17
2. Поведение пестицидов в почве.........................23
  2.1. Химические группы пестицидов.....................23
  2.2. Персистентность пестицидов.......................25
  2.3. Оценка экологической опасности...................30
  2.4. Основы моделирования.............................33
  2.5. Интегрированный экологический показатель.........45
3. Моделирование токсических нагрузок на агроэкосистемы ... 50
  3.1. Севообороты Ростовской области...................50
    3.1.1. Комплексные системы защиты полевых культур .... 56
    3.1.2. Пятипольный хозяйственный севооборот.........58
    3.1.3. Шестипольный зернопропашной хозяйственный севооборот ........................................ 78
    3.1.4. Шестипольный зернопаропропашной севооборот .... 83
    3.1.5. Проблема охраны опылителей..................103
  3.2. Севообороты Краснодарского края.................106
    3.2.1. Пятипольный зернопропашной севооборот.......109
    3.2.2. Двенадцатипольный зернопропашной севооборот . . . 127
  3.3. Деградация пестицидов в почве яблоневого сада...136
4. Результаты моделирования деградации пестицидов в почве. 141
Список использованных источников.......................145
Приложения.............................................151

3

                ВВЕДЕНИЕ





   На протяжении второй половины XX в. и первых десятилетий XXI в. агроландшафты в технологически развитых странах подвергались и подвергаются усиливающейся химической нагрузке. При этом основным негативным фактором являются ксеноби-отические (чужеродные) химические соединения. Это постоянно действующее антропогенное воздействие включает в первую очередь пестициды.
   По разным оценкам, в мире используется более 1000 соединений, на основе которых выпускаются десятки тысяч препаративных форм пестицидов. Пестициды — средства защиты растений — предназначены для уничтожения на полях нежелательных организмов: сорняков, вредителей, патогенных грибов. В то же время известны многочисленные факты пагубного влияния пестицидов на природные экосистемы и здоровье человека.
   Подавляющее число пестицидов — кумулятивные яды, токсическое действие которых зависит не только от концентрации, но и от длительности воздействия. Причём в процессе биоаккумуляции возможно многократное повышение концентрации пестицида по мере продвижения его по пищевым цепям. Одновременно в почве и растениях происходит обратный процесс — деградация (разложение) пестицидов. При этом промежуточные продукты деградации действующих веществ иногда бывают ядовитыми для теплокровных животных и человека.
   Накопление по трофическим цепям более характерно для долгоживущих ядохимикатов. В конечном итоге, поступая с продуктами питания в организм человека, они вызывают опасные заболевания. Есть сведения о том, что некоторые биоциды воздействуют на генетический аппарат сильнее, чем радиация.
   Опасность пестицидов для здоровья человека определяется их токсическими свойствами, такими как бластомогенность (образование опухолей), мутагенность (частота проявления мутаций), тератогенность (появление уродств), эмбриотропность (нарушения эмбриогенеза). Формуляции современных пестицидов не включают самые опасные яды. Однако невозможно создать полностью безопасные для здоровья пестициды, и поэтому все регламенты их применения предусматривают деградацию в растительной продукции до безопасных соединений. Вместе с тем по-4

Введение

чва, обладающая буферными свойствами, может способствовать, с одной стороны, химическому распаду пестицидов, а с другой стороны — их накоплению при значительной деградации естественной микробиоты.
   Значительная часть пестицидов при обработках сельхозугодий попадает в почву. Почва является одним из важнейших компонентов биосферы. В ней сосредоточено огромное количество самых различных организмов и продуктов их метаболизма. Почва является универсальным биологическим адсорбентом и нейтрализатором опасных органических соединений. В то же время накопление в почве биологически активных химических соединений отрицательно влияет на жизнедеятельность многих почвенных организмов, включая бактерии и грибы. Тогда её способность к самоочищению понижается.
   Данные о нахождении и поведении пестицидов в окружающей среде зависят от методов аналитического контроля. В идеале мониторинг почвы и сельскохозяйственной продукции должен проводиться тотально во всех крупных сельскохозяйственных регионах России. Однако в связи с тем, что региональные отделения Россельхознадзора не располагают достаточными техническими средствами и специалистами, полноценный мониторинг химических токсикантов проводиться не может.
   По самым приблизительным данным, в Южном и СевероКавказском федеральных округах России ежегодный уровень применения пестицидов составляет 530—2300 кг на 1000 га общей площади (www.RuPest.ru).
   Существует множество отечественных и зарубежных публикаций, посвящённых проблеме деградации пестицидов в почвах. В них оцениваются подвижность в почве и скорость распада отдельных действующих веществ при разной влажности и температуре. На основе этих данных прогнозируется токсикологическое состояние почвы. Однако в сельскохозяйственном производстве ежегодно на поля вносятся пестициды всех основных типов: гербициды, фунгициды и инсектициды. Они включают десятки действующих веществ. Таким образом, имеет место комплексное загрязнение почвы ксенобиотиками.
   Способы внесения пестицидов также различаются. Растворами пестицидов обрабатываются вегетирующие культуры. Также значительные объёмы довсходовых гербицидов вносятся на по

5

Введение

верхность почвы. Кроме того, широко распространённым методом является протравливание и интоксикация семян перед севом. В этом случае пестициды попадают непосредственно в почву.
   Упрощённый алгоритм моделирования деградации всего комплекса пестицидов в масштабе распространённых полевых севооборотов был предложен нами в качестве дешёвой замены сложных и дорогих аналитических методов [Полтавский и др., 2005]. Такое моделирование позволяет оценить потенциальную опасность различных технологий защиты растений.
   За прошедшие годы XXI в. в практику сельского хозяйства были внедрены новые виды пестицидов и действующих веществ. Причём все крупные производители химических средств защиты растений рекомендуют свои фирменные системы защиты, основанные на оригинальных препаратах и фиксированных нормах их расхода. Последнее обстоятельство требует разумного подхода со стороны практикующих агрономов, поскольку в теории защиты растений нормативный метод, применяемый до сих пор, давно считается устаревшим. Современная интегрированная защита сельхозкультур предполагает внесение пестицида в ограниченном количестве, чтобы снизить плотность вредоносного объекта до экономического порога вредоносности (ЭПВ).
   В данном контексте фирменные нормативы, зарегистрированные в государственном «Списке пестицидов и агрохимикатов, разрешённых к применению на территории Российской Федерации, 2019», следует считать максимальными, которые применяются только при очень высокой плотности вредителя. Но постоянное применение максимальных норм расхода пестицидов неизбежно приводит к быстрой выработке иммунитета к ядохимикатам у целевых объектов, излишним финансовым расходам и ухудшению токсикологического состояния агробиоценозов.
   В нашем исследовании поставлена задача оценить современные технологии химической защиты сельскохозяйственных культур, которые внедряются в России фирмами — поставщиками пестицидов, с точки зрения потенциальной токсической опасности для агроэкосистем при нормативном их применении.

6

                1. ЗАЩИТА РАСТЕНИЙ В ЛАНДШАФТНОЙ СИСТЕМЕ ЗЕМЛЕДЕЛИЯ





            1.1. Общие принципы стабилизации фитосанитарного состояния агробиоценозов


  В последние годы XX в. появились определённые предпосылки к переходу защиты растений на экосистемный уровень. Современной агробиологией перед учёными и практиками поставлена задача конструирования экологически устойчивых, высокопродуктивных, саморегулирующихся агроэкосистем и агроландшафтов.
  Для удобства описания, исследования и моделирования экосистем их разделяют на единицы разных уровней и сложности. Первичной ячейкой агроэкосистемы является агроконсорция. В общем виде агроконсорция — это биокосная среда с комплексом организмов, состоящим из автотрофной ценоячейки и поселяющихся на ней фитофагов, зоофагов, фитопатогенов, присутствующих редуцентов, которые, взаимодействуя, объединяются в свои ценоячейки. В ней берёт начало биогеохимический круговорот вещества, протекает экосистемная жизнь, образуются био-ценотические связи между организмами.
  Агроконсорции устойчиво функционируют в течение вегетации растений и составляют, как ценозы полей (агроценозы), так и агробиогеоценозы, значительно большие, чем поля, территориальные образования. Агроценозы в полной мере не обладают устойчивостью и саморегуляцией целостного биогеоценоза [Подходы к конструированию агроэкосистем..., 2000]. Да и основная цель существования агроценозов — производство максимально возможного количества продукции в данных условиях — никак не совпадает с целями естественных саморегулируемых систем.
  Сама по себе консорция, как мельчайшая ячейка, не является объектом воздействия в существующих технологиях сельского хозяйства. Объектом воздействия выступает агроценоз (всё поле целиком). Увлечение некоторых авторов излишним дроблением структур и уровней сложных систем возможно только для уточнения частных моментов взаимоотношений между трофическими звеньями в цепях питания. Дробление приводит к значитель


7

        1.        Защита растений в ландшафтной системе земледелия ным ошибкам и искажениям в видении функционирования агроценозов (например, в вопросе о вредоносности сорняков).
   В настоящее время сформировался новый подход к интегрированной защите растений, который предусматривает создание экологически стабильных агроценозов. Взаимоотношения между живыми организмами в них максимально приближены к таковым в естественных экосистемах. При проведении защитных мероприятий в сельском хозяйстве стали приниматься во внимание не только критерии опасности вредоносных организмов для сельхозкультур, но и наличие в агроландшафте полезных насекомых (в первую очередь энтомофагов и опылителей).
   Экосистемный подход к защите растений предусматривает прежде всего сохранение на пахотных землях саморегулирующихся и самоорганизующихся целостных ранговых экосистем: агробиоценозов — многопольных образований, устойчиво функционирующих, сбалансированных по элементам питания полевых севооборотов. Важным элементом новой системы управления энтомоценозами является представление о системе триотро-фа (растение — фитофаг — энтомофаг), в рамках которой находят приложение все управляющие воздействия на агроэкосистемы [Артохин, 2000; Воронин и др., 2002]. Такое несколько упрощенное и формализированное представление позволяет сузить для других целей формализации агроценоза и возможности принятия практических решений в обозримом круге факторов, способных влиять на урожай.
   Некоторые авторы для исследования частных вопросов (например, вредоносности) выделяют даже очень маленькую часть агроценоза в виде всего лишь нескольких растений с сопутствующими консортами только одного уровня (вредителями или сорняками-конкурентами) [Зубков, 2014].
   На агроландшафтном макроуровне защита растений может решать свои задачи путём влияния на характер землепользования. От контроля за вредителями на отдельных культурах она переходит к контролю в масштабе полевых экосистем в ранге агробиогеоценоза и агроландшафта [Подходы к конструированию агроэкосистем..., 2000].
   Общепринятым считается положение о том, что человек регулирует агроэкосистемы. На самом деле он только управляет и модифицирует их в пределах саморегуляционных возмож-8

1.1. Общие принципы стабилизации фитосанитарного состояния агробиоценозов

ностей путём проведения агрономических мероприятий. Более того, агробиоценоз постоянно пытается исправить разрушенное в результате хозяйственной деятельности экологическое равновесие.
   Популярная в настоящее время концепция органического земледелия основана на сокращении или полном отказе от применения синтетических минеральных удобрений, химических средств защиты растений и хранящихся продуктов урожая, регуляторов роста растений и генно-модифицированных организмов при максимальном использовании биопрепаратов и биотехнологий на всех стадиях и этапах сельскохозяйственного производства.
   В рамках этой концепции строится биологическая защита растений от вредителей на основе использования биопрепаратов. Созданы новые классы пестицидов: биофунгициды — на основе грибов-антагонистов, действующих против грибов-возбудителей заболеваний растений и семян; биоинсектициды — на основе бактерий, вирусов и грибов, убивающих вредных насекомых.
   Особым классом являются биологически активные вещества, регулирующие процессы жизнедеятельности фитопатогенов и повышающие иммунитет защищаемых растений и семян. Все биопрепараты делятся на две категории: биопестициды, которые основаны на использовании различных видов микроорганизмов и микроскопических грибов; и биоконтролирующие агенты, включающие виды насекомых-энтомофагов и нематод. В США зарегистрировано 70 биопестицидных агентов, в Китае — также 70, в России — 20 [Монастырский, 2016].
   Постепенное улучшение экономических условий в России в конце XX — начале XXI столетия сопровождалось применением всё больших объёмов химических средств защиты растений и одновременным снижением применения биологических методов. В частности, к 1990 г. в СССР работали 1400 биофабрик и биолабораторий по производству трихограммы, этот энтомофаг применялся на площади 18 млн га. Но в начале 90-х гг. XX в. начался кризис производства этого паразитоида. Причинами кризиса явились ликвидация государственной дотации отрасли (хотя практическое применение трихограммы не оценивалось экономически); снижение качества биоматериала (накопление нецелевых видов в культурах паразитоидов, рост рас с низкой жизнеспособностью и отсутствие постоянной селекции). Причём научные

9

1. Защита растений в ландшафтной системе земледелия

исследования показали, что наибольшая эффективность от три-хограммы может быть получена только в интегрированных системах в сочетании с другими энтомофагами, микроорганизмами, феромонами, регуляторами развития насекомых, агротехническим методом [Исмаилов и др., 2000].
   Однако у биологических методов имеется целый ряд технологических недостатков: относительно невысокая эффективность по сравнению с пестицидами, замедленное действие, жесткие требования к культуре производства, хранению и технологии применения. Поэтому российские сельхозтоваропроизводители предпочитают использовать химический метод. Тем не менее в Ростовской области в 2001 г. биометод был применён уже на 340 тыс. га, что составляет 17 % от общего объёма химических обработок.
   Несмотря на настойчивые попытки отказаться от применения пестицидов для защиты сельскохозяйственных культур от вредных организмов, химический метод остаётся пока наиболее рентабельным и технологичным. При этом пестициды являются мощным средством не только контроля численности вредителей, но и причиной разрушения экологического равновесия, а также несут токсикологическую опасность для человека.
   Для уменьшения негативных воздействий на окружающую среду защита растений в ландшафтной системе земледелия базируется на трёх принципах: 1) агроэкологической адресности; 2) интегрированности; 3) многовариантности.
   Реализация принципа адресности систем защиты предполагает их построение на основе объективного фитосанитарного анализа, причём не для административных образований, а для макро- и микрорегионов с однородными показателями (климатических зон, севооборотов, ландшафтов, полей).
   Интегрированность защиты растений предполагает научно обоснованное применение, в зависимости от конкретной фитоса-нитарной обстановки, оптимального сочетания технологических операций по защите растений, включая агротехнический, химический и биологический методы управления.
   Многовариантность определяется разнообразием регионов, агроландшафтов, полей, фитопатогенов, условиями развития растений, свойствами сортов, себестоимостью продукции, разными экономическими возможностями производителей, насыщенно-10

1.2. Интегрированная защита растений в рамках эколого-адаптивной концепции...

стью рынка средствами защиты растений, требованиями экологической безопасности. В каждом конкретном случае разрабатывается оптимальная технология контроля за вредными объектами.

1.2. Интегрированная защита растений в рамках экологоадаптивной концепции контроля численности вредных организмов
   Для разработки систем интегрированной защиты растений необходим целый комплекс мер, включающих селекционную работу по выведению устойчивых к вредителям и болезням растений, агротехнические мероприятия в рамках районированных севооборотов, химическую и биологическую защиту растений.
   Внедряемая в России в течение ряда лет безотвальная обработка почвы не вызвала, как ожидалось, положительных изменений в энтомокомплексах на полях озимой пшеницы. После некоторых колебаний трофической структуры энтомофауны в первые годы внедрения безотвальной обработки соотношение основных компонентов агроценозов стабилизируется на уровне, мало отличающемся от характерного для отвальной обработки [Подходы к конструированию агроэкосистем..., 2000].
   Результаты исследований, проведённых в разных климатических зонах страны, показывают, что удобрения также оказывают некоторое влияние на степень развития вредителей, но оно недостаточно сильное, чтобы коренным образом изменить видовой состав или вредоносность фитофагов. В любом случае, внесение удобрений проводится без учёта их воздействия на энтомо-комплексы. В сельскохозяйственной практике в расчёт принимаются только содержание NPK в почве и растении, осадки и планируемый урожай.
   Реально действующим фактором, контролирующим численность насекомых в агроценозах, являются инсектициды. Как показано выше, существует три стратегии применения пестицидов: 1) нормативная — без учёта степени развития вредных и полезных для экосистем насекомых; 2) интегрированная — в зависимости от плотности популяций вредных и полезных видов на конкретном поле; 3) ландшафтная — с учётом фитосанитарного состояния всего агробиоценоза.

11