Экология// 6.Экологический мониторинг

К.т.н. Ударцева О.В.

Алтайский государственный технический университет, Россия

Задачи экологического мониторинга пестицидов в окружающей среде.

Одной из глобальных экологических проблем, возникающих в процессе сельскохозяйственного производства, является негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человека пестицидов — химических веществ, предназначенных для борьбы с вредными организмами и возбудителями болезней как непосредственно в сельском хозяйстве, так и в ряде других отраслей народного хозяйства.

Благодаря высокой эффективности, простоте и доступности химический метод стал основным в защите растений. Создание и широкое использование синтетических органических пестицидов дало огромный экономический выигрыш и привело к значительному росту мирового производства продовольствия. За счет применения пестицидов заметно повысилась производительность сельскохозяйственного труда, при этом существенно сократились энергетические затраты на получение продукции растениеводства.

Наряду с очевидным положительным эффектом со временем стали проявляться и отрицательные последствия широкого применения химических средств защиты растений: накопление их в почве, водоемах, губительное действие на представителей полезной флоры и фауны, потенциальная угроза здоровью человека, нарушение естественных биоценозов и т.д. Пестициды и близкие им соединения, являясь в большинстве своем типичными ксенобиотиками, составляют от 3 до 5% общего количества различных химических соединений, являющихся продуктами хозяйственной деятельности человека и выявленных в окружающей природной среде. В этой связи возникла необходимость всестороннего изучения экотоксикологии пестицидов и принятия мер по контролю и охране биосферы и здоровья человека. Данная проблема актуальна и для территории Алтайского края.

В Алтайском крае посевные площади занимают более 5 млн.га.

По данным краевой станции защиты растений, ежегодно вредителями и болезнями поражается около пятой части от общей площади. При химической обработке посевов каждый год расходуется около 700 т пестицидов. С каждым годом увеличивается количество препаратов, применяемых для химической защиты растений. В настоящее время в крае применяется более 70 видов гербицидов, 30 инсектицидов и 10 видов фунгицидов.

Пестицидные препараты 1 класса опасности на территории Алтайского края практически не применяются, однако большие объемы внесения и разнообразие средне- и высокотоксичных веществ не могут не оказывать воздействия на окружающую среду. Применение химических средств защиты растений должно обязательно сопровождаться оценкой экологических последствий. Современная техника обеспечивает точную навигацию и позволяет управлять расходом жидкости в зависимости от скорости движения опрыскивателя. Однако вопрос качества данного процесса остается актуальным и по сей день.

Целью данного исследования является разработка механизма экологического мониторинга пестицидов в зависимости от критериев качества опрыскивания.

На техническую эффективность опрыскивания влияет ряд факторов, в том числе токсичность пестицидов по отношению к вредным организмам, и физико-механические свойства жидкости. К последним, относятся удерживаемость на растениях, прилипаемость, способность смачивать. Но большую роль играет техника нанесения ядовитой жидкости на растения, иначе говоря, качество их опрыскивания.

В качестве критериев качества опрыскивания сельскохозяйственных культур рассмотрены три показателя: равномерность распределения распыленной жидкости по ширине захвата машины, дисперсность (спектр размеров) распыляемой жидкости и густота покрытия листовой поверхности [1].

Равномерность распределения распыленной жидкости по ширине захвата машины, выражается коэффициентом вариации (V):

V = (s/М) × 100 %, где (1)

s - среднеквадратичное отклонение,

М - среднее значение показателей.

Тщательность покрытия растений зависит от равномерности распределения пестицида, а, следовательно, и необходимое для этой цели количество жидкого препарата .Количество необходимого препарата зависит в первую очередь, от вида вредного организма (насекомое, клещ, споры или мицелий гриба, сорное растение), его подвижности (очень подвижное, малоподвижное или неподвижное), характеристики обитания и скрытости образа жизни (на верхней, нижней стороне листа, по периферии или внутри травостоя или кроны, на открытой поверхности листа и плода, внутри их и т. п.).

Требования к равномерности распределения рабочей жидкости во многом обуславливаются также токсическими свойствами применяемого пестицида. При использовании химического соединения, обладающего комплексной токсичностью, которое может поражать вредителя одновременно путем контактного, кишечного, системного и фумигантного действия, необязательно тщательное покрытие растений каплями. С учетом многообразия видов вредных организмов, защищаемых растений, применяемых пестицидов и аппаратуры практически невозможно представить какие-либо обобщенные и закономерные градации по степени равномерности распределения распыляемой жидкости по обрабатываемой поверхности. Однако принято, что в борьбе с сорняками, спорами и мицелием грибов, а также с некоторыми малоподвижными насекомыми равномерность распределения должна быть выше, чем при борьбе с подвижными насекомыми. При использовании вентиляторной наземной и авиационной аппаратуры в борьбе с ними устанавливается различная ширина рабочего захвата: в первом случае она в 1,5 - 2 раза меньше. Ширина захвата различных опрыскивателей неодинакова и зависит от конструктивных особенностей аппаратуры, физико-химических свойств распыляемой жидкости, характеристики обрабатываемой растительности и метеорологических условий. Если на штанговой тракторной аппаратуре ширина рабочего захвата ограничивается длиной штанги (от 10 до 25 м), то при использовании вентиляторной наземной аппаратуры и самолетов в зависимости от указанных факторов при обработке полевых культур она может составлять от 50 до 100 м, при использовании вертолетов - от 20 до 60 м. Учитывая, что при опрыскивании с помощью вентиляторной наземной и авиационной аппаратуры на краях одиночной полосы будет осаждаться пестицидов меньшее, чем на основном отрезке, количество препарата будет недостаточно для проявления высокой эффективности, ширина рабочего захвата всегда будет снижаться по сравнению с общим физическим захватом распыляемой волны [2].

При авиационном опрыскивании направление ветра влияет на характер распределения жидкости, но в связи с тем, что такие обработки в основном не связаны с обязательным движением летательного аппарата по направлению рядков, зависимость обработок от направления ветра меньшая.

Однако здесь наиболее благоприятен боковой ветер, который сносит распыленный препарат в сторону от линии очередного захода самолета или вертолета в определенных случаях выравнивает распределение препарата по обрабатываемой поверхности.

Задачами экологического мониторинга в оценки данного критерия являются определение размера сноса аэрозольных пестицидов за поле обработки. В рамках экологического мониторинга предполагается использовать физический метод определения остаточной концентрации пестицидов с помощью пьезокварцевого микровзвешивания.

Вторым критерием качества опрыскивания сельскохозяйственных культур является дисперсность распыляемой жидкости, которая выражается медианно массовым диаметром капель, характеризующим, в каких каплях сосредоточена половина массы распыляемого вещества. Характер распределения препарата по обрабатываемой поверхности зависит от дисперсности опрыскивания. Чем грубее распыление жидкости, тем меньше дальность полета крупных капель, следовательно, и меньше ширина рабочего захвата и, наоборот, чем тоньше дробление, тем выше дальность полета и больше ширина захвата. Чем неоднороднее состав капель по размеру (полидисперсное опрыскивание), тем менее равномерное распределение препарата по обрабатываемой поверхности. При распылении жидкости на капли одинакового размера (монодисперсное опрыскивание) достигается более равномерное распределение препарата [1 ].

Применяемое в практике сельского хозяйства обычное и даже малообъемное опрыскивание с наземной и авиационной аппаратуры, как правило, характеризуется высокой полидисперсностью. В облаке распыленной жидкости находятся и довольно крупные капли (200 мкм и более), и капли средних размеров (200 и менее мкм), и мелкие (100 и менее мкм), и очень мелкие (25 мкм и менее). Зачастую крупных капель в спектре распыляемой жидкости не так уж много, они содержат значительную массу активного вещества. Основная масса капель (99,7 %) имеет размеры не более 100 мкм, однако в них содержится около 70 % препарата [1].

Следовательно, для более равномерного распределения препарата по обрабатываемой поверхности необходимо стремиться к однородному дроблению капель, идеальным было бы регулируемое монодисперсное опрыскивание.

Согласно агротехническим требованиям, предъявляемым к наземным опрыскивателям, дисперсность рабочей жидкости, выраженная медианно-массовым диаметром капель, должна быть в пределах: при обработке полевых культур с расходом жидкости 1 - 5 л/га от 80 до 200 мкм, с расходом жидкости 10 – 50 л/га - |от 100 до 250 мкм, при обработке плодовых насаждений с расходом 250 - 500 л/га от 100 до 250 мкм, при обработке виноградников, ягодных кустарников с расходом жидкости 250 - 500 л/га - от 100 до 300 мкм, при обработке хмеля с расходом жидкости 100 - 500 л/га - от 100 до 300 мкм [3].

В зависимости от целей, решаемых при защите растений от вредных насекомых и болезней, можно подобрать размер аэрозольных частиц, при которых удельный расход будет минимальным. Пестициды, можно разбить на две группы. К первой относятся соединения для борьбы с насекомыми – вещества контактного действия. Их необходимо осадить на поверхность насекомого. Как следует из приведенных выше данных, оседание таких частиц связано с инерционным оседанием частиц на микрошероховатостях поверхности насекомых. В условиях устойчивой стратификации атмосферы для большинства реальных ситуаций оптимальны частицы диаметром от 3 - 5 до 20 - 30 мкм.

В случае, когда объектом воздействия являются растения (применение гербицидов) или пестициды кишечного действия (например, биопрепараты), то оптимальны более крупные капли диаметром от 15 - 20 до 50 - 100 мкм. Это связано с тем, что микрошероховатости растительности крупнее, чем толщина ворсинок на поверхности насекомого. Помимо механизма инерционного оседания на микронеоднородностях поверхности, существенным становится и гравитационное оседание на растительности. В несколько раз увеличивается также оптимальный размер, когда защитные мероприятия проводятся в условиях конвективного перемешивания в атмосфере.

Важный момент оптимальной аэрозольной технологии – снижение удельного расхода пестицида, сопровождаемое также существенным уменьшением уровня загрязнения растительности и почвы. Остаточные количества в почве в режиме использования частиц оптимального размера снижаются в десятки и сотни раз. Столь резкое уменьшение уровня загрязнения почвы имеет особое значение, так как остатки пестицидов в почве сохраняются длительное время и накапливаются в корнеплодах.

Применяющиеся в настоящее время авиационные и наземные опрыскиватели имеют различную характеристику по дисперсности и равномерности распределения жидкости. Эти показатели зависят не только от конструктивных особенностей опрыскивателей, типов распылителей, но также от физико-химических свойств препоративных форм жидких пестицидов, метеорологических условий, характеристики обрабатываемой поверхности и защищаемых растений.

Третьим критерием, влияющим на качество опрыскивания и как следствие на экологичность процесса, является густота покрытия листовой поверхности т.е. количеством капель на 1 см. Для достижения большой плотности и равномерности покрытия обрабатываемой растительности распыляемой жидкостью следует применять мелкокапельное опрыскивание. Во многих случаях такое опрыскивание даже при небольшой норме расхода позволяет достаточно тщательно обрабатывать поверхность. В связи с этим важно отметить зависимость количества капель при распыливании одинакового объема жидкости от их размера [4].

Размер капель может быть определен различными способами и иметь различные значения [1]. Для оценки среднего размера большинства капель в полидисперсной системе аэрозоля, определяются среднеарифметический диаметр капель :

d_no = Sd_in_i / N, где (2)

d_i - диаметр капель отдельных классов, n_i - количество капель отдельного класса, N - общее количество капель.

Если важно знать диапазон размера капель, в которых заключена половина массы жидкости, то графическим путем определяют медианно-массовый диаметр капель. Однако наиболее часто определяют средневесовой или среднеобъемный диаметр капель по следующей формуле [ 4 ]:

d_{ср. об.} =

(3)

Установлено, что при распыливании одинакового объема жидкости и уменьшении диаметра капель вдвое, их количество возрастает в 8 раз, а при уменьшении в 4 раза - в 64 раза, то есть количество капель увеличивается в

геометрической прогрессии.

Если задаться целью последовательно уменьшать размер одной капли в 400 мкм, достигаемой при крупнокапельном опрыскивании, до размеров 200, 100, 50, 25и 10 и 1 мкм, то получим следующее количество, представленное в таблице 1.

Таблица 1 Количество капель разного размера, получаемых из одного объема

Размер капель, мкм	400	200	100	50	25	10	1
Количество капель	1	8	64	512	4096	64 тыс.	64 млн.

Расчеты показывают, что при мелкокапельном опрыскивании (средний размер капель 100 мкм) можно создать большую густоту покрытия обрабатываемой площади (200 капель на 1 см²), расходуя при этом на 1 га всего 10 л жидкости (200 млрд. капель). Такая большая густота покрытия будет излишней. Считается, что во всех случаях плотность покрытия в 100 капель на 1 см² достаточна.

Основная задача при применении химических средств - это нахождение оптимальной величины капель и их количества на единицу площади. Все остальное - норма расхода активного вещества, общее количество применяемой жидкости - определяется в зависимости от этих показателей [1.4].

Без особых доказательств ясно, что проявление токсического действия веществ, нанесенных с большой густотой покрытия в виде мельчайших частиц, увеличивает контакт и активную поверхность воздействия токсиканта на насекомых, клещей, споры грибов и т. п. В случае применения препаратов контактного действия эффективность опрыскивания повышается. Однако если решающее значение в гибели вредителей имеет кишечное действие яда, когда важен эффект остаточного последействия, такое тонкодисперсное распыливание с большой густотой покрытия может не иметь преимуществ перед более крупнокапельным опрыскиванием с меньшей густотой покрытия.

При определении оптимального размера частиц дробимой жидкости важно учитывать не только возможность испарения и сноса капель за пределы обрабатываемого участка, но и физическую возможность осаждения капель различного размера на растениях и вредителях.

Для оценки качества применения пестицидов необходимо определить количество препарата, внесенное при опрыскивании, оценить эффективность по дисперсности частиц и равномерность распределения. Немаловажным является и изучение сноса вносимого препарата за пределы обрабатываемого поля, что является задачей системного мониторинга земель.

Важным этапом в решении задач мониторинга химических загрязнений окружающей среды и сельскохозяйственной продукции является процедура определения содержания компонентов в контролируемых объектах и средах. В ряде случаев альтернативой такому определению является установление степени воздействия компонента (компонентов) на некую тест-систему. Иными словами, в процессе контроля определяется количество либо массы токсиканта (выраженной в виде концентрации), либо способы его внесения. Для определения первого показателя используют, как правило, физико-химические методы, второго технические.

Совершенствование методологии работ по мониторингу пестицидов и методов анализа их микроколичеств и внедрение разработок в практику позволяет решать задачу по минимизации воздействия этого достаточно распространенного класса токсикантов на окружающую среду и человека, поддерживая и углубляя при этом положительный хозяйственный эффект химической защиты растений.

Список литературы.

1.Дидио,Ж.-Р.Техника и технология безопасного применения средств защиты растений //М.: Агропромиздат, 2009 .- 186с.

2.Задорожный , О.Г.Сравнительный анализ установок по распылению пестицидов / О.Г.Задорожный//Ползуновский вестник. АГТУ- 2006.-№2-1, С.264-268.

3.Ковальский, А.А. Влияние размера частиц на эффективность применения инсектицидных аэрозолей / А.А. Ковальский, К.П.Куценогий и др. // Известия СО РАН- 2009.-Вып.3, № 7.- С.131-138.

4.Санин, В.А. Малообъемные и ультрамалообъемные опрыскиватели / В.А.Санин- М.: Наука, 2009г.