Гербициды играют важнейшую роль в борьбе с сорняками, но после обработки концентрация действующих веществ в почве начинает снижаться. Скорость этого процесса зависит не только от типа препарата, но и от целого ряда других факторов. Причем многие процессы еще недостаточно изучены.
- Что происходит в почве с остатками различных препаратов?
- Какие факторы способствуют их разложению, а какие замедляют процесс?
- Как максимально эффективно применить препарат с учетом этих знаний?
За последние десятилетия в изучении взаимодействия гербицидов с окружающей средой произошёл значительный прогресс. Ученые опубликовали более 35 000 научных работ. О чем говорят последние исследования?
Основные процессы преобразования гербицидов в почве
Ученые определили основные процессы преобразования гербицидов в почве, на которые основное влияние оказывают физико-химические свойства молекулы и условия окружающей среды. Среди них можно выделить следующие:
- удержание (сорбция, десорбциярербицидов);
- миграция (поглощение растениями, перемещение и метаболизм, дрейф, испарение, сток, инфильтрация и выщелачивание);
- преобразование (химическая деградация, биодеградация, фотодеградация и минерализация).
Они обычно взаимодействуют друг с другом.
Механизм удержания гербицида в почве
Механизм удержания можно определить как общий процесс сорбции гербицидов в почве, препятствующий перемещению молекул как внутрь, так и наружу из почвы. Это явление, при котором молекулы захватываются поверхностями минеральных и органических коллоидов в почве.
Основными характеристиками почвы, влияющими на процессы сорбции (процесс поглощения одного вещества поверхностью или объемом другого) и десорбции (адсорбированные атомы или молекулы высвобождаются с поверхности в окружающую среду) гербицидов, являются содержание глины и органического вещества, ёмкость катионного обмена и pH. Физико-химические свойства молекулы, климатические и агротехнические характеристики участка также определяют этот процесс.
На практике одним из возможных вариантов учета этого признака является использование дифференцированных доз гербицидов в зависимости от типа почвы.
Например, рекомендации по использованию различных доз индазифлама для контроля A. hybridus (амарант гибридный) и E. indica (элевсина индика – растение, родственное африканскому просу) привели к снижению общего количества применяемого гербицида на 17,56 и 15,70 % соответственно по сравнению с максимально рекомендованным. Снижение доз метрибузина составило 9,8 и 9,9 % соответственно. Более значительные колебания доз индазифлама по сравнению с метрибузином обусловлены более высокой сорбционной способностью индазифлама.
Вместе с тем добавление органических соединений в почву может негативно повлиять на эффективность борьбы с сорняками. Например, внесение биоугля в почву осуществляется для связывания углерода, повышения ёмкости катионного обмена, увеличения pH почвы, удержания воды и обеспечения источника питательных веществ, что обычно благоприятно сказывается на сельскохозяйственном производстве. Однако почва, обогащённая биоуглем, обладает высокой сорбционной способностью по отношению к гербицидам, то есть снижает биодоступность продукта в почвенном растворе. Негативное влияние биоугля на борьбу с сорняками более заметно, когда речь идёт о довсходовых гербицидах.
Миграция препарата в почве, влияние на эффективность обработок
Перенос гербицидов в почве оказывает значительное влияние на их эффективность. После попадания в почву основными путями переноса данных препаратов являются сток или смыв, испарение, выщелачивание.
Смыв гербицида с обрабатываемого участка
Перемещение гербицидов с обработанных участков на необработанные после сильных дождей называется смывом. Вымытый гербицид может находиться в почвенном растворе или сорбироваться на частицах почвы. Основные свойства почвы и участка, влияющие на концентрацию гербицидов в стоках: уклон, структура почвы, содержание в ней влаги, растительный покров, орошение и обильные осадки.
Методы обработки почвы, а также количество растительных остатков в ней на практике влияют не только на потери воды и почвы, но и гербицидов. К основным методам управления этим процессом относятся беспахотное земледелие, сохранение растительного покрова, контроль за поливом и использование буферных зон.
В одном из исследований было доказано, что солома сахарного тростника на поверхности почвы уменьшает сток воды, количество отложений и потери диурона. Авторы заявили, что сохранения 7 тонн соломы на гектар поля было достаточно для уменьшения стока воды и потерь этого гербицида. Но растительные остатки не могут предотвратить смыв такого хорошо растворимого вещества, как гексазинон.
Гербициды с высокой растворимостью в воде с большей вероятностью будут переноситься сточными водами. А глифосат и его метаболит аминометилфосфоновая кислота переносятся сточными водами за счёт сорбции на частицах почвы.
Поэтому перед применением гербицидов важно изучить прогноз погоды, чтобы обеспечить их эффективность и уменьшить загрязнение поверхностных вод.
Испарение и снос ветром
Испарение – это процесс, при котором молекулы гербицида переходят из жидкого состояния в газообразное. Основными факторами, влияющими на испарение, являются свойства гербицида, почвы и окружающей среды.
Например, при использовании гербицидов, относящихся к химической группе тиокарбаматов (таких как молинат и тиобенкарб) и трифлуралину, этот процесс может быть очень интенсивным.
На практике исследователи советуют применять в баковой смеси вещества, снижающие летучесть препаратов.
Снос или дрейф гербицидов при опрыскивании
Дрейф гербицидов при опрыскивании можно определить как перемещение молекулы из целевой области в нецелевые, куда препарат не должен попасть. Перемещение происходит за счет движения капель или паров, которые могут нанести вред соседним восприимчивым растениям и оставить на них следы, снижая урожайность и влияя на морфологию этих культур.
Снос гербицидов, особенно синтетических ауксинов, стал заметнее в связи с появлением генетически модифицированных сортов кукурузы, сои и хлопка, устойчивых к 2,4-Д и дикамбе, что привело к более широкому использованию этих продуктов. Дрейф 2,4-Д и дикамбы может привести к количественным и качественным потерям при выращивании чувствительных культур на территориях, прилегающих к участкам, где используются эти гербициды.
В частности, владельцы фруктовых плантаций во многих странах поднимают этот вопрос и ведут борьбу против дикамбы и 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты на соседних полях. В некоторых случаях они добиваются успеха вплоть до запрета применения этих пестицидов.
Ученые по всему миру изучают этот процесс, а производители СЗР разрабатывают специальные формулы препаратов с низким уровнем летучести. Примером является гербицид XtendiMax с технологией VaporGrip от Bayer. Эта формула с низким уровнем летучести дикамбы специально разработана для сои Roundup Ready Xtend.
Выщелачивание препаратов из почвы
Выщелачивание – в общем смысле это переход компонентов гербицида в водный раствор в почвенном горизонте.
С практической точки зрения выщелачивание гербицидов оказывает существенное влияние на их эффективность в полевых условиях. Небольшое вымывание желательно, так как оно повышает эффективность, перемещая гербициды с поверхности почвы в места скопления семян сорняков. Но интенсивный процесс вымывания может привести к снижению защитного действия и попаданию препарата в грунтовые воды.
Оценка препаратов по степени выщелачивания учеными показала, что ацифлуорфен-натрий, алахлор, атразин, хлоримурон-этил, фомезафен, гексазинон, имазамокс, имазапир, имазахин, имазетапир, метолахлор, метрибузин, метсульфурон-метил, никосульфурон, пиклорам, сульфентразон и тебутиурон потенциально подвержены этому процессу.
Какие особенности выщелачивания выявили ученые? Более сильное вымывание происходило в почвах с более низким уровнем pH и содержанием органического вещества. В исследованиях с использованием кломазона на различных почвах также сообщалось об увеличении сорбции гербицида органическим веществом почвы, что снижало вымывание.
Также выяснилось, что адъювант может оказывать положительное влияние не только на взаимодействие гербицида с растением, но и на процесс его вымывания.
Мульча препятствует попаданию гербицида в почву, так как в ней он задерживается и может сорбироваться или разлагаться. Даже после того, как гербицид попадает в почву, мульча влияет на его действие, изменяя водный баланс почвы, содержание органического вещества и активность микроорганизмов.
Добавление в почву углеродсодержащих материалов также может повлиять на вымывание гербицидов. Например, обогащение почвы костным углём животного происхождения снижает десорбцию и вымывание гербицидов. С агрономической точки зрения это может напрямую повлиять на эффективность борьбы с сорняками.
Разложение или деградация гербицидов
Разложение гербицидов может начаться с их разбавления водой в резервуаре для внесения и включать в себя изменения химической природы молекулы в результате следующих процессов:
● физических (фотодеградация);
● химических (окисление, восстановление, гидролиз, образование нерастворимых в воде солей и химических комплексов);
● биологических (биоразложение).
В целом, трансформация считается полной (минерализация), если в результате образуются CO2, H2O, а также минералы, и неполной (метаболизм), если образуются метаболиты.
Чтобы подвергнуться химической или биологической деградации, гербицид должен находиться в почвенном растворе или быть слабо сорбированным. Однако при сильной сорбции почвенными коллоидами он становится недоступным для разложения почвенными микроорганизмами и различных химических реакций.
В идеале гербицид должен сохранять свою активность в окружающей среде достаточно долго, чтобы бороться с сорняками на участке, где он был применён, но не настолько долго, чтобы нанести вред чувствительным культурам в севообороте. К основным культурам, чувствительным к гербицидам, относятся подсолнечник, соя, фасоль, кофе, сорго, кукуруза, просо, хлопок, рапс и другие.
В целом, по наблюдениям ученых, более низкие температуры, меньшее количество осадков и более короткие циклы выращивания сельскохозяйственных культур, особенно в случае сои с раннеспелыми сортами, позволяющими ускорить посев второй культуры, являются факторами, повышающими вероятность остаточного действия.
Фотодеградация гербицидов
Фотодеградация – это разрушение молекулы под воздействием солнечного излучения, особенно ультрафиолетового спектра. УФ-излучение наиболее разрушительно для гербицидов и вызывает колебание электронов, что приводит к разрыву определённых связей в молекулах. Фотолиз может быть прямым процессом, при котором вещество трансформируется за счёт поглощения световой энергии, или косвенным, при котором другие вещества поглощают энергию, трансформируются, а затем изменяют действующее вещество препарата.
Фотодеградация потенциально снижает эффективность борьбы с сорняками, если происходит вскоре после применения гербицида. Наиболее подвержены фотодеградации трифлуралин, атразин, бентазон, клетодим и дикват, а также этоксисульфурон и хлоримурон-этил. В то же время фенилмочевины могут подвергаться фотодеградации только при длительном воздействии света. Таким образом, почвенные гербициды быстро деградируют, если после их применения наступает продолжительный период засухи.
Химическая деградация
Химическая деградация гербицидов в почве происходит в результате химических реакций и характерна для различных молекул. При абиотической деградации часто имеют место реакции окисления, восстановления, минерализации, гидролиза, образования сложных эфиров, фотолиза, полимеризации и дегалогенирования.
Например, деградация 2,4-Д в основном происходит за счёт окислительного деалкилирования и расщепления ароматического кольца. Эти химические реакции протекают быстрее при высоких температурах и достаточной влажности. Кроме того, экстремальные значения pH могут усиливать гидролиз некоторых гербицидов.
Основным путём преобразования гербицидов в резервуаре для внесения является химическая реакция гидролиза. Он является ключевым процессом разложения сульфонилмочевин и хлорацетамидов.
Изучая этот процесс, ученые обнаружили, что изоксафлютол сохраняет высокую стабильность в глинистой почве даже после трёх имитаций дождя по 20 мм с интервалом в 30 дней и последующего 120-дневного периода засухи после внесения препарата.
Биологическая деградация
Биологическая деградация происходит под воздействием микроорганизмов и считается основным механизмом разложения гербицидов в почве. Её можно ускорить с помощью агромероприятий, повышающих активность микроорганизмов, таких как внесение органики и удобрений, регулирование влажности почвы, pH и температуры, глубокая вспашка, биоремедиация, в том числе внесение адаптированных микроорганизмов.
Когда гербициды становятся биодоступными, они подвергаются разложению под действием микроорганизмов или ферментов. В процессе разложения в почве участвуют водоросли и актиномицеты, но наиболее важную роль играют бактерии и грибы.
Биоразложение предполагает использование гербицидов в качестве источника азота, углерода и серы. Разложение гербицидов в результате биотических реакций обычно сопровождается окислительными процессами. Гербициды в большинстве случаев после разложения теряют свою гербицидную активность. Её сохраняют лишь некоторые метаболиты (например, изоксафлютол).
Также выяснилось, что последующее применение того же гербицида в сочетании с благоприятными условиями окружающей среды для развития микробов может привести к быстрому разложению и снижению эффективности продукта. Ученые объясняют это «адаптацией» почвенных микроорганизмов.
При этом микроорганизмы используют пять различных стратегий метаболизма гербицидов.
При катаболизме многие микроорганизмы использую гербицид в качестве источника энергии и питательных веществ для роста и развития разлагающих его микроорганизмов:
- глифосат – в качестве источника фосфора при его недостатке в окружающей среде;
- имазапир – в качестве источника углерода для своего роста;
- атразин – как источник азота, поэтому его разложение может ускоряться в условиях дефицита питательных веществ.
Кометаболизм – это процесс, при котором гербицид трансформируется в ходе метаболических реакций, но не служит источником энергии для микроорганизмов. Добавление органического вещества в почву может продемонстрировать кометаболическую трансформацию гербицидов. Тот факт, что оно повышает активность микроорганизмов, свидетельствует о трансформации многих гербицидов, таких как диурон и аметрин, которое происходит за счёт кометаболических процессов.
Полимеризация или конъюгация – это процесс, при котором исходная молекула гербицида или его метаболиты вступают в реакцию с естественными почвенными соединениями, такими как аминокислоты или углеводы, или с другой молекулой гербицида. Образование метаболита дихлоранилина характерно для многих гербицидов на основе мочевины, таких как диурон, изопротурон, монурон и другие.
Также молекула гербицида может попадать в микроорганизм, не подвергаясь трансформации. Ученые свидетельствуют о накоплении атразина в актиномицетах.
На практике важно знать предпочтительный путь разложения гербицида, поскольку он указывает на то, как сельскохозяйственные методы влияют на его разложение и стойкость в окружающей среде. Исследователи выяснили, что минерализация атразина происходила только в естественных условиях (в нестерильной почве), что указывает на решающую роль микроорганизмов в расщеплении этой молекулы. Если разложение препарата происходит путём катаболизма, то дефицит в почве элемента питания, источником которого является гербицид, может способствовать ускорению процесса.
В последнее время значительно возрос интерес к изучению взаимодействия гербицидов с окружающей средой, так как эти знания позволяют корректировать как дозы препарата в зависимости от типа почвы и условий, так и методы обработки почвы, а также проводить анализ экологических рисков для целей регулирования.
Светлана ДАРЕНСКИХ, «ГлавАгроном»