отходы быта и производства как сырье для подготовки сложных
advertisement
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственое бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» И. С. Белюченко ОТХОДЫ БЫТА И ПРОИЗВОДСТВА КАК СЫРЬЕ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ СЛОЖНЫХ КОМПОСТОВ Монография Краснодар КубГАУ 2015 УДК 631.879 ББК 40.40 Б 43 Рецензенты: Д. С. Дзыбов – доктор биологических наук, профессор (Ставропольский НИИСХ ФАНО России) Э. А. Сиротюк – доктор биологических наук, профессор (Майкопский технологический университет) А. Х. Шеуджен – доктор биологических наук, академик (Кубанский государственный аграрный университет) Белюченко И. С. Б43 Отходы быта и производства как сырье для подготовки сложных компостов : монография / И. С. Белюченко. – Краснодар: КубГАУ, 2015. – 405 с. ISBN 978-5-94672-876-8 В монографии проанализированы основные вопросы, касающиеся развертывания проблемы подготовки, формирования развития и влияния сложного компоста на его взаимодействие с почвой, еѐ живыми организмами, а также нарастительный покров, на расширение экологических ниш по сезонам и годам вегетации в агроландшафтах. Книга представляет интерес для преподавателей экологических и биологических дисциплин, касающихся прикладных аспектов почвоведения и земледелия. Она может быть использована для подготовки курсовых и дипломных работ по различным аспектам применения сложного компоста как особой удобрительной смеси для повышения продуктивности почв, количества и качества урожая отдельных сельскохозяйственных культур. Вопросы, затрагиваемые в монографии напрямую спососбствуют решению проблем отходного производства в различных районах наших стран. Издание предназначено для аспирантов и студентов экологических факультетов, специалтистов экологов, интресующихся вопросами подготовки органических удобрений УДК 631.879 ББК 40.40 © Белюченко И. С., 2015 © ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет, 2015 ISBN 978-5-94672-876-8 2 ОГЛАВЛЕНИЕ Отходы, причины их образования и перспективы использования (вместо предисловия) . . . . . . . . . . . . . . 4 Глава 1. Дисперсность отходов различного происхождения и их свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Глава 2. Минеральные отходы и их использование при формировании сложных компостов . . . . . . . . . . . . . . 29 Глава 3. Органические отходы и их использование при формировании сложных компостов . . . . . . . . . . . . . . . 56 Глава 4. Коллоидные системы отходов и их роль в формировании сложных компостов . . . . . . . . . . . . . 75 Глава 5. Живые организмы и развитие сложного компоста . . . .91 Глава 6. Сложный компост и экологические ниши живых организмов в агроландшафте . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Глава 7. Основные условия формирования сложных Компостов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142 Глава 8. Сложные компосты и их комплексное развитие . . . . . .162 Глава 9. Сложный компост и круговороты биогенов в агроландшафтах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Глава 10. Влияние сложного компоста на физические свойства почвенного покрова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211 Глава 11. Сложный компост как источник обогащения почвенного покрова питательными веществами. . . . .233 Глава 12. Сложный компост и детоксикация агроландшафтных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .259 Глава 13. Сложный компост и круговорот углерода и азота в агроландшафтных системах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 Глава 14. Сложный компост в защите почв от тяжелых металлов в системе агроландшафта . . . . . . . . . . . . . . 324 Глава 15. Роль сложного компоста в развитии природных систем и аграрных ландшафтов Западного Приазовья . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 3 ОТХОДЫ, ПРИЧИНЫ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ (вместо предисловия) «Я не знаю никаких решительных и действенных сил в обществе, кроме самих людей; и если мы считаем этих людей недостаточно просвещенными, чтобы осуществлять разумный контроль, выход не в том, чтобы освободить их от обязанности контроля, а в том, чтобы снабдить их достаточными знаниями» Томас Джефферсон Рассмотрим основные проблемы накопления и использования отходов быта и производства, их трансформацию, которая раширяет и увеличивает число экологических ниш нового субстрата, в процессе смешивания и компостирования (Belyuchenko et al, 2014). Различные отходы формируются в процессе любого производства, развития природы и общества. В естественных системах, задолго до появления человека, в процессе физико-химического разрушения породы, извержения вулканов, наводнений, землетрясений и других природных явлений в биосфере первоначально образовались иловые отложения, представлявшие своего рода протопочву, а затем и почву со всеми свойствами, способствовавшими активному развитию экосистем. Речные системы образовали свои русла в результате разрушения минералов, которые частично были использованы для укрепления берегов, формирования пойм и долин, создали бассейновые ландшафты с определенным водообменом на отдельных участках суши с участием мирового океана. Выход растений на сушу, способствовавший формированию энергетических потоков за счет разложения их органического вещества и выделения газов (СО2, N2, NH3), привѐл к образованию новой атмосферы с высокой долей участия в ней азота и кислорода и нового режима воздухообмена и теплообмена. В результате различных природных катаклизмов на всем протяжении эволюции Земли на разных этапах еѐ развития образовались различные отходы – сначала минеральные, а затем и органические, отличавшиеся природой происхождения и свойствами их развития (Belyuchenko, 2014). 4 В определенных условиях среды эти отходы преобразовывались, давали разнообразные соединения и создавали ландшафты с различными характеристиками. Природные отходы являлись и являются основой для формирования различных ландшафтных систем с новыми экологическими нишами для развития живых организмов – животных, растений, микроорганизмов. Количественно и качественно природные отходы безусловно меняются. При их массовом образовании (извержение вулканов, землетрясения, наводнения, пожары, эпидемии и др.) местами нередко происходит полное изменение ландшафтов, уничтожение существовавших и образование новых экологических систем на основе развития экологических ниш с другими физико-химическими и биологическими свойствами (Belyuchenko, 2014). В случае обычного режима формирования природных ландшафтов образующиеся отходы (минеральные и органические) поддерживают плавный эволюционный режим их развития. При возникновении человека, с увеличением численности его популяции в развитии ландшафтных систем происходят весьма существенные изменения. Сегодня человек настолько заметно меняет природные системы под свои, нередко весьма низменные интересы, что очень часто время входит с природой в глубокие противоречия. По оценкам ряда экологов сила давления человека на природу в 4-5 раз больше, чем влияние природных явлений – землетрясений, наводнений, пожаров и др. Тем не менее природа выработала за сотни миллионов лет весьма высокую устойчивость, гибкость, лабильность и мощную силу восстановления экосистем и биоты. В этом легко убедиться: если человек сильно разрушает какие-то ландшафты, а затем оставляет их в покое, то в течение ближайших 8-10 лет отмечаются явные признаки возрождения процессов развития новых ландшафтных систем. Такие процессы четко просматриваются в восстановлении луговых и лесных систем в районе Чернобыля. Сходные примеры мы находим в горных районах, где прокладывались с определенными целями бетонированные дороги и другие сооружения. Мощное давление антропогенных факторов испытывает в экосистемах растительность, животные, микро- и мезофауна, бактерии и грибы. Если человек не нарушает процессы их развития, то, как правило, довольно скоро можно отметить возрождение систем и биоты уже на новом уровне, что связано с изменением прежде всего гидрологического режима отдельных бассейнов, а также с измене5 нием реакции почвенного раствора, режима формирования и трансформирования органического вещества усилением эрозионных процессов и т.д. В итоге таких изменений нередко происходит выпадение отдельных пород деревьев, кустарников, травяного покрова и формирование новых растительных сообществ. Эти примеры подчеркивают, что биосфера и еѐ региональные составляющие накопили за миллионы лет мощный запас резервной энергии, обеспечивающей высокую устойчивость и способность формировать системы с новыми возможностями развития по разным направлениям в зависимости от степени нарушения материальных, энергетических, физических и химических параметров. При продолжении разбойничьего варианта пользования природой в течение ближайшей сотни лет человечество столкнется с весьма непредсказуемым формированием непригодных условий для существования самого человека, который сам по себе не способен за столь короткий срок кардинально эволюционировать. Пока мы отмечаем примеры регионального характера, например, преобразование ландшафтных систем с богатым видовым составом растений и животных в прошлом в междуречье Тигра и Евфрата, в Северной Африке в IV и V веках до нашей эры и т.д. (Gorchakova, Belyuchenko, 2014а). В настоящее время воздействие человека на природу во сто крат выше, чем в те далекие исторические эпохи, и потому перспективы опустынивания сначала огромных территориальных ландшафтов (например, занятых земледелием), лесных массивов, испытывающих сильное давление пожаров и выбросов промышленных предприятий, а в целом нарушения биосферных процессов, являются довольно вероятными и катастрофическими. Человек активно влияет на природу через производство и использование своей прямой продукции (самолеты в воздухе, корабли в океане, трактора, комбайны на суше и т.д.), сбросы загрязненных вод в речные и морские системы, выбросы различных весьма реактивных газов в атмосферу, загрязнение почвы твердыми бытовыми и промышленными отходами, а также поступление оседающих осадков газовых выбросов с дождями. Природные системы, накопившие сегодня массу загрязнителей, могут быть улучшены посредством сложных компостов, в которые включены от 4 до 8–10 видов отходов промышленного, сельскохозяйственного, бытового и природного происхождения. Иными словами, под применением сложного компоста мы понимаем новое направление в практической 6 экологии и земледелии, основанное на искусственном создании комплексных смесей различных отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства, а также природных материалов для обогащения почв органическими и минеральными дисперсными и коллоидными системами с целью совершенствования их физико-химических и биолого-экологических функций, что может быть основой для новых экологических ниш, образования консорций, расширения видового разнообразия живых организмов (Белюченко, 2013 з; Belyuchenko, 2014а). Важная проблема поддержания устойчивого функционирования агроландшафтных систем – это оптимизация освоения живыми организмами всего спектра еѐ экологических ниш. Под экологической нишей мы понимаем место вида или популяции в экосистеме, включая не только его положение в пространстве, но и функциональную роль (например, в пищевой сети). Освоение свободного в агроландшафте пространства (территории) экологических ниш культурными растениями проявляется весьма слабо из-за ограниченности времени их развития (обычно меньше одного года) и их слабой вегетативной подвижности, определяемой только активностью зоны приземного побегообразования. Основная задача специалистов (агрономов и агроэкологов) сегодня состоит в разработке новых технологий выращивания урожая с переходом в основном на двухзвенную систему посевов и уборки, которая бы способствовала более полному освоению организмами всего объема экологических ниш агроландшафта. Эти ниши различаются совокупностью основных факторов среды, требующихся для существования и функционирования конкретного вида (или сортотипа), включая его связи в агросистеме с другими таксонами (например, взаимосвязи в агроландшафте культивируемого сорта с сорняками, вредителями, другими участниками сообщества). Остановимся на анализе основных, на наш взгляд, направлениях в функционировании агроландшафтов, которые определяют и оптимизируют развитие последних (Belyuchenko, Gorchakova, 2014). Основным приемом, который способствует более полному использованию всего объема аэро- и эдафотопа в агроландшафте (и в целом, возможно, большего числа его экологических ниш), – это внедрение для производственных целей чистых посевов или сортосмесей отдельных культур и травосмесей, экологически разных по своей требовательности к водным и пищевым ресурсам, а также подбор и посев в смеси разных культур, которые в своем развитии 7 не выступают антагонистами и не используют для своего развития одни и те же ресурсные факторы; исследования в этом направлении безусловно следует развивать (Belyuchenko, 2014в). В процессе своей жизнедеятельности любая биосистема (вид, популяция, сортотип, сортосмесь) постоянно приспосабливается к меняющимся условиям внешней среды, которые сегодня весьма агрессивны: сюда относятся прежде всего техногенные явления (пахота, культивация, химические обработки, химические удобрения, кислотные дожди, нефтяные загрязнения, ТМ и др.), они сильно изменяют экологию организмов, легко приспосабливающихся к новым условиям. Первоначально организмы испытывают стресс на внешнем энергетическом уровне, что создает предрасположенность к развитию нарушений их жизнедеятельности и усилению влияния ряда факторов на внутреннем энергетическом уровне и приводит к заболеванию живых организмов в верхнем слое почвы. Все факторы и причины нестабильности развития организмов приходят в равновесие в новых условиях не так быстро, как физические и химические свойства агроландшафтов. Потери плодородия почвы не проявляются так явно при незначительных колебаниях отдельных факторов. В большинстве случаев мы определяем снижение некоторых параметров и начинаем их корректировать. Нехватка питательных веществ в верхнем слое сказывается на снижении количества и качества урожая определенной культуры в два этапа: энергетический (углеродный), когда гармоничному развитию растений не хватает отдельных внешних условий, а также физиологический (азотный) – внутренние недостатки питательных веществ и прежде всего качественного белка. Используя современные биотехнологии в кратчайшие сроки можно восстановить плодородие почвы, нарушенное химизацией, повысить урожайность основных сельхозкультур, значительно сократить применение различного рода обработок во всех отраслях сельского хозяйства, полноценно использовать все виды органических и минеральных отходов. Вторичные ресурсы сельскохозяйственного производства – это основной источник органоминеральных удобрений при их правильном внесении в почву (Gorchakova,Belyuchenko, 2014б). Расширению разнообразия экологических ниш и их способности наилучшим образом обеспечивать ресурсами одновидовые и смешанные сортовые посевы (особенно необходимые для поддержания и получения семенного материала) будет способствовать вне8 сение под обработку почвы сложного компоста в норме 65-70 т/га при добавлении минимальных доз минеральных удобрений в подкормках, что обеспечит оптимальное удовлетворение потребностей в питательных веществах самых требовательных сельскохозяйственных продовольственных и технических культур. Разработка данного направления, за основу которого берется органическое вещество и минеральные элементы фосфогипса в качестве важнейших источников пищевого ресурсного фактора при минимизации минеральных удобрений, должна занять достойное место в прикладных исследованиях. Одним из направлений в оптимизации функционирования агроландшафтов может быть совместное использование органического вещества и минеральных компонентов при выращивании «чистых» или совмещенных посевов сельскохозяйственных культур. В качестве органического вещества можно использовать помимо перегноя также зеленые удобрения с внесением в подкормку органическим веществом смеси минеральных удобрений (микро- и макроэлементы) с учетом специфики природных условий хозяйства и экологобиологических особенностей возделываемых культур; такой подход предполагает перевод севооборотов на травопольную систему земледелия со всеми вытекающими отсюда последствиями. Весьма важным и заслуживающим внимания направлением в земледелии является также целесообразность сокращения посевных площадей за счет исключения из севооборотов явных неудобий (например, балочные и прифермские участки и т.д.), на территориях которых по всему периметру необходимо создать лесные полосы, что со временем будет способствовать оживлению дикой природы, подъему грунтовых вод на окружающих полях, а значит, и повышению продуктивности последних. Кроме того, это будет способствовать постепенной очистке и снижению загрязнения родниковых источников, повышению численности энтомофагов для многих вредителей сельскохозяйственных культур и сокращению таким образом использования для борьбы с ними пестицидов, а также снижению непроизводительных затрат и повышению урожайности сельскохозяйственных культур. Обращает на себя внимание тот факт, что в пределах одного поля почва участков северных склонов на 20,5-30,0% богаче гумусом чем южных; в силу этого при разработке технологических приемов выращивания сельскохозяйственных культур (вспашка, посев и т.д.) для получения соответствующего урожая необходимо 9 предусмотреть внесение на участках южных склонов повышенных норм минеральных удобрений (особенно органических). Учитывая, что плодородие почв в крае падает (прежде всего это четко просматривается по содержанию гумуса), необходимо рассмотреть вопрос о сокращении в севообороте однолетних посевов и доведении доли многолетних культур (в основном на кормовые цели) до 25-30%, с переходом от пропашной направленности в земледелии края на травопольную (Belyuchenko, 2014в). Целесообразно ли практиковать посевы смеси сортов и совмещения культур различных видов при оптимизации пищевого режима и расширении в связи с этим экологических ниш? Бесспорно, да. Особенно это относится к неорошаемой богарной зоне края, где невыравненность осадков по месяцам и годам и засушливость в летний сезон периодически ставит посевы сельскохозяйственных культур в довольно жесткие условия: прежде всего в связи с недостатком воды, а также поздними весенними заморозками, активным развитием вредителей и болезней. По нашему убеждению, производственные посевы зерновых культур в богарной зоне должны состоять в основном из смеси 4-5 экологически различающихся сортов. Это касается посевов пшеницы, озимого ячменя и других зерновых культур. Рассмотренные проблемы современного земледелия показывают, что технологические приемы выращивания сельскохозяйственных культур, разрабатываемые в условиях края, сегодня должны учитывать специфичность экологических ниш не только отдельных полей, но и их отдельных участков, а также и экологобиологические особенности возделываемых культур. Одним из направлений оптимизации освоения многообразных экологических ниш отдельных ландшафтов является развитие посевов сортосмесей основных культур, а также смешанных посевов экологически различных таксонов (Belyuchenko, 2014б). Вторым важным направлением поддержания высокой продуктивности посевов является разработка системы удобрений каждого поля и его отдельных участков на основе реальной оценки плодородия почв и сочетания применения органических и минеральных удобрений, что будет способствовать существенному сужению разнообразия экологических ниш по такому важному фактору, как пищевые ресурсы, а в связи с этим также и обеспеченностью влагой. Иными словами, разработка современных технологий по оптимизации функционирования аграрных ландшафтов может базиро10 ваться главным образом на глубоком изучении особенностей формирования и развития их экологических ниш с учетом основных приемов выращивания сельскохозяйственных культур при периодическом внесении сложных компостов (Belyuchenko et al, 2014) . Для освоения новых технологий выращивания сельхозкультур необходимо готовить высокоспециализированных специалистов нового типа, имеющих глубокую экологическую подготовку, и развивать у них способность на новом профессиональном уровне решать хозяйственные и экономические задачи. Важным шагом в модернизации высшего эколого-технологического образования должна стать междисциплинарная подготовка экологов в сфере утилизации различных отходов, которые можно использовать для решения практических задач сложных компостов в соответствии с природоохранными требованиями и состоянием условий окружающей среды. Любые задачи производства должны быть подчинены охране среды и рациональному использованию ресурсов, опираться на понимание глобальных экологических связей в системах. При разработке и реализации любой аграрной программы или проекта, имеющих прямое отношение к использованию природных ресурсов, возникают экологические проблемы, которые необходимо грамотно решать (Belyuchenko, 2014б). Сложная экологическая обстановка, сложившаяся в стране, в основном является следствием нерационального и непрофессионального природопользования. Усиление воздействия на природу вызывает деградацию природной среды, что повышает уровень химического и механического давления на ландшафты в результате применения устаревших технологий. Накопленные промышленные и сельскохозяйственные отходы, занимают весьма значительные площади. Совершенно не решается вопрос использования вторичного сырья – бытового мусора, макулатуры городских свалок, что создает пожароопасную обстановку, а накопление в почвах тяжелых металлов и нефти приводит к снижению урожайности культур, их качества и устойчивости к условиям окружающей среды. Исследование содержания и накопления тяжелых металлов в черноземе обыкновенном выявило и обосновало основное направление системного улучшения почв. Предлагаемые ниже для обсуждения вопросы экологизации земледелия отражают современное состояние этой важнейшей проблемы развития сельскохозяйственного производства, и прежде все11 го это касается рационализации использования земель и получения экологически безопасной продукции (Belyuchenko et al, 2014). В конкретных условиях среды они преобразовывались, формировали разнообразные соединения и создавали ландшафты с различными свойствами. В настоящее время влияние человека на природу гораздо значительнее, и потому перспективы опустынивания сначала огромных территориальных ландшафтов (например, занятых земледелием), лесных массивов, испытывающих сильное давление пожаров и выбросов промышленных предприятий, а затем и нарушения в целом биосферных процессов являются довольно катастрофичными. С помощью современных биотехнологий в кратчайшие сроки можно восстановить плодородие почвы, нарушенное химизацией, повысить урожайность основных сельхозкультур, значительно сократить применение различного рода химических препаратов во всех отраслях сельского хозяйства, полноценно использовать все виды органических и минеральных отходов. Вторичные ресурсы сельскохозяйственного производства – основной источник органических удобрений при их внесении в почву. В связи с освоением новых технологий растет спрос на высокоспециализированных специалистов нового типа, имеющих экологическую подготовку и способность на новом профессиональном уровне решать экологические, хозяйственные и экономические задачи. Важным шагом в модернизации высшего эколого-технологического образования стала междисциплинарная подготовка экологов-исследователей и экологов-технологов, специалистов в сфере утилизации отходов, которые могут решать практические задачи в соответствии с природоохранными требованиями и состоянием окружающей среды. Любая производственная задача должна быть подчинена охране среды и рациональному использованию ресурсов, опираться на понимание экологических связей в мире. При разработке и реализации любой программы или проекта, имеющих отношение к использованию природных ресурсов, обязательно возникают экологические проблемы. Неблагоприятная экологическая обстановка, сложившаяся в некоторых районах страны, является следствием нерационального природопользования: возрастает уровень химического и механического давления на окружающую среду с использованием 12 устаревших технологий, накопление промышленных отходов, занимающих большие территории, накопление загрязнения почв тяжелыми металлами и нефтяными сбросами объясняет снижение урожайности культур, качества их продукции, а также снижение устойчивости к неблагоприятным условиям окружающей среды. 13 ГЛАВА 1. ДИСПЕРСНОСТЬ ОТХОДОВ РАЗЛИЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ИХ СВОЙСТВА DISPERSITY OF WASTES AND THEIR PROPERTIES Dispersity of wastes of all productions including a domestic, agricultural, industrial and violations of the natural systems which are heterogeneous and dispersed formations comprising two or more phases with the developed surface is discussed. Disperse systems of wastes are classified into true solutions, systems of finely dispersed of colloids, coarsely dispersed (mainly mineral wastes) and highly dispersed (organic waste). В главе анализируется дисперсность отходов различных производств, включая бытовые, сельскохозяйственные, промышленные, а также образующиеся при нарушении природных систем. Все они являются гетерогенными образованиями с двумя и большим числом фаз с развитой поверхностью. Дисперсные системы отходов классифицируют на истинные растворы, тонкодисперсные коллоидные системы, грубодисперсные (в основном минеральные отходы) и высокодисперсные (органические отходы). На основе создания комплексных смесей различных отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства, а также природных материалов, обогащенных органическими и минеральными дисперсными и коллоидными системами, с целью совершенствования их физикохимических и биолого-экологических функций на кафедре общей биологии и экологии Кубаанского ГАУ разрабатываются различные варианты сложных компостов, применение которых значительно улучшает физические, химические и биологические свойства чернозема обыкновенного и положительно влияет на рост и развитие сельскохозяйственных культур, особенно злаковых (Белюченко, 2013 д, е, ж). Сложные компосты предназначены для рекультивации нарушенных земель и определяют собой новое направление в практической экологии и земледелии. Отходы всех производств, включая бытовые, сельскохозяйственные и промышленные, а также образования природных систем, являются гетерогенными дисперсными образованиями, состоящими из двух и большего числа фаз с развитой поверхностью (Белюченко, 14 2003 а, б; 2007; 2009 б; 2010 г; 2011 а, г). Одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду, в которой распределена одна или несколько дисперсных фаз. Дисперсные системы отходов классифицируются на истинные растворы (размер частиц <1 нм – ионные, молекулярно-ионные и молекулярные), тонкодисперсные коллоидные системы (размер частиц <100 нм – золи, гели) и грубодисперсные взвеси (размер частиц >100 нм – эмульсии, суспензии, аэрозоли). Отходы делятся на грубодисперсные (в основном минеральные отходы переработки природного сырья – фосфогипс, галит, мел и др.) и высокодисперсные (преобладают органические отходы – остатки растениеводческой продукции и т.д.). В грубодисперсных системах (эмульсии, суспензии и т.д.) размеры частиц составляют от 1 мкм и выше, а в высокодисперсных (коллоидных) – от 1 нм до 1 мкм (Белюченко, 2012б; 2013 е. ж; Belyuchenko, 2014). По агрегатному состоянию дисперсионной среды и дисперсной фазы среди формирующихся отходов можно выделить следующие системы: 1) газодисперсные (аэродисперсные) с газовой дисперсионной средой: (пыль, туман, дым, порошок и др.); 2) жидкие дисперсионные среды и твердые дисперсные фазы (грубодисперсные суспензии, эмульсии и пасты); 3) тонкодисперсионные золи и гели; 4) твердые дисперсионные среды (кристаллическое тело) с включениями мелких твердых частиц (фосфогипс, мел, галит, капли жидкости и пузырьки газов) (Белюченко, 2013; Белюченко, Славгородская, 2013 б; д). По равновесности и устойчивости дисперсные системы отходов различных производств можно разделить на лиофильные и лиофобные. Лиофильные системы термодинамически равновесны и высокодисперсны, формируются в результате получения отходов при производстве продукции из природного сырья и могут существовать весьма долго (минеральные отходы после переработки природных материалов: мела, апатитов, калийных солей и т.д.). Лиофобные дисперсные системы растительных отходов термодинамически неравновесны и обладают большим избытком свободной поверхностной энергии (отходы растительных остатков, животноводческой продукции, быта и др.) (Belyuchenko, 2014). В определенных условиях (при смешении отходов лиофильных и лиофобных систем) происходит их коагуляция на основе сближения частиц, сохраняющих первоначальные формы и размеры 15 и объединяющихся в плотные агрегаты, а также укрупнение первичных частиц путем слияния капель воды или пузырьков газа. Нестабилизированные и неустойчивые лиофобные дисперсные системы отходов непрерывно изменяют свой дисперсный состав (отходы органического происхождения) в сторону укрепления частиц вплоть до полного расслоения на микрофазы (Белюченко, 2012 г; Belyuchenko, 2014). Стабилизированные лиофильные дисперсные системы отходов сохраняют дисперсность (отходы переработки природного сырья) в течение продолжительного времени. Основные свойства дисперсных систем таких отходов определяются адсорбцией, поверхностные явления которой через образование двойного электрического поля характеризуются контактными взаимодействиями частиц дисперсной фазы (Горбунов, 1967; Belyuchenko, 2014). Дисперсные системы отходов в природе распространены в верхнем слое любой поверхности: горные породы, грунты, почвы, сложные компоcты, атмосферные и гидросферные осадки, а также в растительных и животных тканях. Основные промышленные продукты и предметы бытового потребления выпускаются также в виде дисперсных систем (Белюченко, 2013 б; Белюченко, Славгородская, 2013 а; г). Разные вещества отходов имеют различную степень раздробленности. Диспергирование отходов – это их дробление, образование гетерогенных систем, состоящих из сплошной непрерывной фазы – дисперсионной среды и находящихся в среде дисперсных фаз и раздробленных частиц разного размера и формы (Горбунов, 1967). Гетерогенность системы отходов. Анализируя дисперсность (размер частиц дисперсной фазы) отдельных видов отходов, их системы условно можно разделить на грубо- и тонкодисперсные. Последние называются просто коллоидными системами (например, куриный помет) с размером частиц от 1 нм до 1 мкм (удельная поверхность составляет сотни м2/г). В грубодисперсных системах (например, фосфогипс) частицы имеют размеры от 1 мкм и выше (удельная поверхность до 1 м2/г). Укрепление или слияние частиц некоторых дисперсных фаз при смешивании различных отходов, известное как коагуляция, происходит под действием молекулярных сил сцепления или тяжести (Белюченко, 2013 б; Belyuchenko, 2014). 16 Гидрофобная коагуляция различных отходов отличается расслоением весьма сложной дисперсной системы сложного компоста на жидкую и твердую фазы. При добавлении пептизаторов (например, жидкие отходы КРС и свиней) восстанавливается и расширяется дисперсность коагуляции в системе сложного компоста. Способность коллоидных частиц после перемешивания в неподвижном растворе к образованию и формированию различных структур (например, фосфогипс слипается с органическими отходами свиней, КРС и др.), заполняющих весь объем раствора (например, фосфогипс + ОСВ), приводит к образованию агрегатных вариантов компоста (Белюченко, 2011 в; Белюченко, Славгородская, 2011). Органические, минеральные и органоминеральные отходы различных производств при смешивании формируют разнообразные физико-химические системы, которые состоят из нескольких фаз (однородных частей), различающихся вариацией физических и химических свойств и эколого-биологических функций, отделѐнных друг от друга поверхностями раздела и образующих гетерогенные системы, или не имеют поверхностей раздела и представляют гомогенные системы. Например, многие сложные компосты, включающие твердые органические и минеральные субстраты, а также водные растворы органических и минеральных кислот и солей характеризуются прохождением в них комплексных химических реакций с нарушением равновесия, указывающих на специфику их систем (гетерогенных или гомогенных), и потому представляют большой интерес для исследования (Белюченко и др., 2012 б). Чем больше видов отходов включено в сложный компост, тем из большего числа фаз с сильно развитыми поверхностями раздела между ними состоят гетерогенные системы. Одна из фаз обычно образует непрерывную дисперсионную среду, в объеме которой распределены несколько дисперсных фаз в виде мелких структур, аморфных частиц и т.д. (Качинский, 1975). Дисперсные системы отходов могут иметь и более сложное строение (например, представлять трехфазное образование – галиты и т.д.). В сложном компосте различают устойчивость седиментационную и агрегатную. Седиментационно устойчивы коллоидные системы с газовой и жидкой дисперсионной средой (жидкий свиной навоз), в которых беспорядочное движение частиц мешает их оседанию. В агрегатно устойчивых системах (например, фосфогипс) 17 непосредственные контакты между частицами не возникают, и потому они в течение длительного времени сохраняют свою изначальную структуру. При нарушении агрегатной устойчивости в сложном компосте частицы минеральных и органических отходов в процессе беспорядочного движения сближаются и соединяются (Белюченко, Славгородская, 2011; Belyuchenko, 2014 а). Важные свойства дисперсных систем определяются основными поверхностными явлениями: адсорбцией, образованием двойного электрического слоя, а также контактными взаимодействиями частиц (Christensen, 1992). Дисперсные системы в отходах распространены в природе повсеместно: горные породы, грунты, почвы, атмосферные и гидросферные осадки, растительные и животные ткани, а также в большинстве других образований, основу которых составляет природное сырье. Дисперсные фазы материалов в различных отходах на хорошо развитых поверхностях определяют химические процессы, способствующие определенному структурообразованию (Белюченко, 2010 а; Belyuchenko et al, 2014). Со временем при взаимодействии различных сред органических и минеральных компонентов в составе сложного компоста создаются новые частицы разного размера. По мере развития сложного компоста степень дисперсности отдельных образований повышается, а их удельная поверхность на единицу объема увеличивается. По мере развития дисперсности фаз отдельных составляющих сложного компоста образуются смешанные дисперсные системы: меняется соотношение грубодисперсных частей с частицами дисперсной фазы крупнее 0,1 мк и коллоидно-дисперсных систем с частицами от 0,1 мк до 1 нм; мелкие дисперсные частицы (< 1 нм) представляют собой крупные молекулы, которые формируют настоящие растворы, определяющие их коллоидное состояние (Belyuchenko, 2014). В сложных компостах отходы можно классифицировать по агрегатному состоянию – твердые, пастообразные, газообразные, жидкие; по химическому составу – органические и неорганические; по происхождению – бытовые, промышленные, сельскохозяйственные, природные; по использованию – утилизируемые (вторичные материальные ресурсы) и не утилизируемые (отбросы); по токсическому действию – опасные вещества и не опасные; по объему образования – малотоннажные и крупнотоннажные (Белюченко, 2006). 18 Дисперсные системы черноземов. Наиболее изученными в крае дисперсными системами являются системы черноземов. Такие почвы насыщены кальцием и магнием, малодисперсны, что следует сказать и о минеральных суспензиях, которые мало перемещаются в пределах их почвенных горизонтов. В основных слоях чернозем обыкновенный имеет почти одинаковый состав. Глинистые черноземы структурнее суглинистых, а легкосуглинистые начинают утрачивать чѐткую выраженность структуры, что наводит на мысль о том, что их зернистая структура является результатом коагуляции отдельных суспензий: где их больше, там заметнее результаты их коагуляции. Роль основного коагулянта в черноземных почвах играет раствор двууглекислого кальция, появлению которого долгое время способствовало развитие корневых систем степных растений, выделяющих углекислоту и способствовавших переходу в раствор части поглощенного кальция (Сорокин, Когут, 1997; Белюченко, 2003а). Коагуляционные растворы перемещаются в верхних слоях чернозема по корневой системе растений, формируют мелкозернистые отдельности, постепенно увеличивающие свои размеры. Значительную роль в перемещениях коагуляционных растворов в верхнем слое черноземов играет известь почвы, поскольку при снижении содержания кальция эти почвы теряют свою структуру. По мере деградации чернозема обыкновенного наступает его полное обесструктуривание. Если почвы не насыщены кальцием, то выраженная структура в них отсутствует. В каштановых и бурых почвах, в отличие от черноземов, вместе с поглощенным кальцием встречается и поглощенный натрий, и потому допустимо, что в таких почвах, где гумуса мало, количество поглощенного кальция невелико. Это сказывается, естественно, на ослаблении у этих почв структуры (Коновалова, 1984; Добровольский, Никитин, 2000; Белюченко, 2007). Почвенные коллоиды представляют собой комбинированные органические (гумус) и минеральные вещества. К минеральным коллоидам сложных компостов относятся кремнеземы, гидраты окисей железа, алюминия и марганца. Минеральные коллоиды в почвах представлены относительно небольшой частью (по нашим расчетам в черноземе обыкновенном отношение минеральных коллоидов к органическим в среднем составляет 1:4), но их роль весьма существенная, особенно это касается гидратов (например, железа, 19 алюминия и марганца). Коллоиды кремнезема являются результатом процессов выветривания силикатов и алюмосиликатов, а также минерализации органических остатков и несут отрицательный заряд (Муравьев, Белюченко, 2008а). Гидраты окиси железа определяют разложение различных минералов, в которые входит окисное и закисное железо. В почве гидраты окиси железа имеют положительный заряд (коллоид). Гидраты окиси алюминия образуются в процессе выветривания алюмосиликатов, а также при разложении органических останков. Растения сырых мест на черноземе накапливают в своей золе заметное количество алюминия. Золи гидрата глинозема находятся в почве в желеобразном состоянии. Большое значение в черноземе имеет органический коллоид почвы – гумус, представляющий комплекс разнообразных органических и минеральных соединений со значительной молекулярной массой. Гумусовые коллоиды черноземов, безусловно, дисперсны, хотя они менее дисперсны, чем гумус, например, подзолов. Коллоидные частицы гумуса несут отрицательный заряд, и гуминовая кислота поддерживает соединения невысокой степени дисперсности; минимальная дисперсность свойственна кремниевой кислоте. Коагуляция веществ в растворе происходит тогда, когда электролит имеет низкую концентрацию и не проявляет активного действия (Belyuchenko, 2014 в). В черноземных почвах периодически образуются молекулярные растворы, коллоиды и тонкие суспензии. Когда мы изучаем природную черноземную почву, то еѐ дисперсионной средой является твѐрдое вещество, а жидкая составляющая почвы – дисперсной фазой, в которой можно изучать гели (сгустки) и золи. Основу дисперсной фазы составляют полуторные окислы SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O и сложный комплекс гумуса. Растворяющиеся в соляной кислоте полуторные окислы имеют состав 2RO, где R представлен металлами: K, Na, Са, Mg, Fe, Al, Si (Belyuchenko, 2014 а). В поглощенном состоянии в черноземных почвах находятся кальций, магний, а также натрий и аммоний. В заболоченных почвах, кроме кальция и магния, могут присутствовать водород и алюминий. В солонцовых почвах всегда присутствует, кроме кальция и магния, также натрий и калий. Внесение фосфогипса заметно улучшает сложный компост (навоз + фосфогипс) и существенно влияет 20 на активность химических веществ: установлено, что в смеси увеличивается содержание СаО, Fe2O3, SiO2, MgO и ослабляются позиции Na. Количество вытесненных оснований за определенный промежуток времени показывает, что взаимодействие между аммонием, с одной стороны, и почвенным кальцием и магнием, с другой, весьма эффективно протекает по мере повышения концентрации раствора хлористого аммония. Увеличение количества раствора при постоянной доле субстрата повышает количество отнимаемых у почвы оснований, и реакция между почвой и раствором протекает довольно быстро. Причиной такого ускорения является прохождение реакции на поверхности частиц или в их самом верхнем слое, что выдвигает в качестве основы участие в обменных реакциях перегноя, облегающего тонким слоем минеральные части почвы (Добровольский, Никитин, 1986; 1990; Belyuchenko, 2014 а). Непродолжительного соприкосновения почвы с раствором, какая бы не была его концентрация, совершенно недостаточно, чтобы вытеснить все основания, которые могут быть замещены его катионами. Хорошо проявляется взаимодействие между черноземной почвой, перегноем, осадками сточных вод, отходами растительных остатков, коллоидами и другими органическими веществами, с одной стороны, и глинами, особенно монтмориллонитами, фосфогипсом, известью и другими минеральными соединениями на поверхности раздела, с другой, означая, что главным участником обменной реакции двух противоположно заряженных коллоидов является органический коллоид, несущий отрицательный заряд (Белюченко, 2013 в; Belyuchenko, 2014 а). Дисперсность системы отходов. Дисперсные системы сложных компостов формируются различными комбинациями дисперсионной среды и дисперсной фазы, усиливающими и усложняющими их развитие. Дисперсионной средой отходов обычно является вода, а дисперсной фазой – твердое вещество, и такие системы носят название коллоидных растворов, или золей. Особые свойства им придают мелкие размеры и большая удельная поверхность коллоидных частиц. Твердые природные вещества (фосфогипс, сильвиниты и др.) характеризуются определенной кристаллохимической структурой, а их ионы, атомы и группы атомов находятся внутри структуры в равновесном состоянии. При измельчении таких отходов удельная 21 поверхность их частиц возрастает и усиливается взаимодействие поверхностных ионов (Ocio et al., 1991; Белюченко, Муравьев, 2009). По мере созревания сложного компоста многие вещества разных отходов вступают в контакт и между ними происходят химические реакции с образованием новых соединений. В случае отсутствия видимого взаимодействия из таких веществ формируется механическая смесь, которая в дальнейшем при изменении условий (температура, кислотность или щелочность и другие) может трансформироваться в химическую через усиление химических взаимодействий (Макаров, 1988; Белюченко, 2001 а; Belyuchenko2014 в). Преобладание органических или минеральных коллоидов нередко является причиной самопроизвольно образовавшихся гетерогенных растворов, которые составляются растворителями нескольких растворенных веществ из большого числа отходов. Важное значение в этой ситуации имеют водные растворы, где идут сложные физико-химические процессы с проявлением в них новых типов функционирования. В растворе проявляются физические (диффузия, непостоянство состава) и химические свойства (неустойчивость соединений); гидратационные свойства способствуют появлению в отдельных отходах различных форм связанной воды (химически связанная, кристаллизационная, адсорбированная, вода в капиллярах и т.д.). Самым активным растворителем коллоидных веществ многих отходов является вода, состав которой определяется дождевыми осадками и химическим составом смесей (Тейт, 1991; Belyuchenko, 2014 б). Фильтрующиеся осадки из щелочных веществ (золы, мела, солей магния и кальция) указывают на жесткость воды. Сильный электролит составляют растворы различных солей, кислот и оснований из различных отходов. В растворах электролитов между их ионами при смешивании отходов происходят различные химические реакции. В молекулярной форме пребывают малорастворимые и газообразные вещества свиного навоза и фосфогипса с образованием сульфата аммония и воды. В этом случае система многих отходов становится гетерогенной, представляющей собой относительно крупные агрегаты (не более 0,1 мм), обычно отделенные от дисперсионной среды границей раздела фаз (Belyuchenko, 2014 а). 22 Строение коллоидов многих отходов весьма специфичное, поскольку кристаллическая и химическая структура тонкодисперсных минеральных и органических соединений и поглощение ими различных ионов с разной валентностью заметно усложняет их объединение. Частицы любого вещества (органического или минерального), попадающие в коллоидный раствор и обладающие одинаковым зарядом, отталкиваются друг от друга. В случае создания условий для взаимного притяжения частиц, обладающих разным зарядом, образуются агрегаты из нескольких частиц различных веществ, и новое образование в состоянии дисперсной фазы коллоидного раствора со временем выпадает в виде рыхлого осадка геля. В сложном компосте (при компоновке 8-10 соединений и больше) и периодическом его перемешивании гели образуются очень часто. В связи с высокой дисперсностью гели многих отходов поглощают из раствора сложного компоста ионы различных элементов, хотя при этом новых химических соединений зачастую не образуют (Белюченко, 2009 а). При развитии сложного компоста коллоидные частицы одних веществ поглощают катионы из раствора других веществ, вытесняемые поглощенными ранее. На поверхности коллоидов сложившегося соединения располагается ряд катионов Ca2+, Mg2+, Na+, обычно способных к обмену. В случае поглощения в сложном растворе коллоидами одновалентных катионов образуются золи, а при поглощении двух- и трехвалентных катионов формируются гели. В структуре комплексных частиц отдельных отходов коллоидные свойства проявляются при относительно крупных их размерах – от 0,001 мм. Высокодисперсные частицы дефеката, осадка сточных вод, перегноя и других органических соединений заряжены в основном отрицательно и в связи с такими свойствами сорбируют катионы. В обменных основаниях различных веществ образуется диффузный слой мицелл (например, в коллоидах фосфогипса), который чаще встречается в черноземе обыкновенном и представлен кальцием и меньше магнием. При действии на высокодисперсную часть сложного компоста раствором хлористого калия (KCI) образуется соляная кислота, определяющая обмен ионов калия на ионы водорода (Александрова, 1980; Belyuchenko, 2014 а). При обмене с катионами нейтральной соли ионы водорода в отдельных отходах прочно связаны и полностью не выделяются. 23 Поглотительная способность коллоидов отдельных отходов имеет большое значение для гумусовых веществ дефеката и осадков сточных вод; важное значение имеет минеральный состав и прежде всего соотношение между минеральными группами монтмориллонита и гидрослюд, с одной стороны, и каолинита, с другой. Монтмориллонит в ряде отходов отличается высокой дисперсностью и значительной поглотительной способностью, в то время как каолинит выделяется меньшей дисперсностью и значительно меньшей емкостью поглощения (Белюченко, 2013 а; Belyuchenko et al, 2014). К дисперсным системам во многих отходах относятся обычные (истинные) растворы, а также коллоидные растворы, суспензии и эмульсии, отличающиеся между собой размерами частиц или степенью их дисперсности. Системы с размером частиц менее 1 нм относятся к истинным растворам, состоящим из молекул и ионов растворенного вещества (однофазная система); системы с частицами более 100 нм (грубодисперсные) относятся к суспензиям и эмульсиям и рассматриваются как двухфазные системы (Качинский, 1975; Белюченко, 2013 в). В природе часто встречаются дисперсные системы (например, горные породы), в которых одно вещество равномерно распределено в виде частиц внутри другого вещества (Качинский, 1975; Белюченко, Славгородская, 2013 б; Belyuchenko et al, 2014) Суспензии – дисперсные системы, формируемые практически всеми органическими отходами; дисперсной фазой у многих выступает твердое вещество, а дисперсионной средой – жидкость; твердое вещество фактически нерастворимо в жидкости и со временем выпадает на дно сосуда. Эмульсии – тоже дисперсные системы, в которых дисперсная фаза и дисперсионная среда являются несмешивающимися жидкостями. Пример эмульсии – молоко. Коллоидные высокодисперсные двухфазные системы отдельных отходов, состоящие из дисперсионной среды и дисперсной фазы с линейными размерами частиц в пределах 1-100 нм, являются промежуточными между истинными растворами и взвесями, составлены большим числом молекул и ионов и представляют золи, получаемые за счет объединения ионов или молекул в агрегаты (осадки сточных вод, куриный помет и др.). В ряде реакций происходит конденсация с образованием высокодисперсных систем (при выпадении дождевых осадков, осадков сточных вод и др.). Обычные 24 истинные растворы различных отходов окрашены в основном одинаково, у золей окраска сильно варьирует (Белюченко, 2013 г). Своеобразным свойством золей, вообще дисперсных систем и особенно минеральных отходов является наличие у них частиц с электрическим зарядом одного знака, что определяет их неспособность соединяться в крупные частицы и осаждаться. Частицы одних золей (например, металлы, кремниевая кислота и др.) имеют отрицательный заряд, а для других (гидроксиды, оксиды металлов) характерен положительный заряд. Образование заряда обусловливает адсорбцию в смеси отходов отдельными коллоидами ионов из раствора. Формирование в ряде отходов (особенно органических) крупных агрегатов происходит через соединение частиц в процессе коагуляции, а их осаждение – в результате седиментации под влиянием силы тяжести (Белюченко, 2007). Коагуляция различных частиц отдельных отходов проявляется при прибавлении к одному золю другого золя с противоположным зарядом (например, фосфогипс + органическое вещество). Значение золей велико, и они распространены больше, чем истинные растворы. Кровь, соки растений, протоплазма живых клеток, молоко и др. – это сложные золи. Жидкие смеси в ряде отходов, в которых растворителем является жидкость, играют большую роль. Под влиянием растворителя от поверхности твердого вещества отдельные ионы и молекулы в отдельных отходах постепенно отрываются, равномерно распределяются по всему объему растворителя, и через какое-то время раствор становится насыщенным. Ионы и молекулы растворяемого вещества отдельного отхода под влиянием перемещающихся частиц растворителя в растворе образуют качественно новые однородные системы (Белюченко, 2006). В процессе химического взаимодействия растворенного вещества с растворителем образуются весьма сложные соединения (например, гидраты при растворении водой). Малорастворимыми в воде веществами являются фосфогипс, галит, сульфат свинца и т.д. Хорошо растворимы в воде сахар, медный купорос и др. (твердые вещества), спирт, ацетон (жидкие вещества), хлороводород, аммиак (газообразные вещества), которые в разных отходах ведут себя поразному (Белюченко, Бережная, 2012; Belyuchenko et al, 2014). Растворение вещества в любом отходе представляет собой самопроизвольный процесс, зависящий от природы растворяемого 25 вещества и растворителя, а также их температуры. Причины различной растворимости отдельных отходов до конца не выяснены, хотя их связь с особенностями взаимодействия растворителя и растворенного вещества вполне очевидны. Молекулярные кристаллы у некоторых отходов (соединения серы, фосфогипса и др.), молекулы которых имеют ковалентные неполярные виды связей, продолжительное время нерастворимы в воде ввиду того, что энергия разрушения их кристаллической решетки весьма велика. Вещества с ионными (соли, щелочи) или полярными (спирты, альдегиды) типами связей хорошо растворимы в полярных растворителях и прежде всего в воде (Белюченко, 2009 а). Роль золей в удачно сформированных сложных компостах весьма велика. Их основу составляют сообщества микроорганизмов, в частности грибов и одноклеточных водорослей (Голлербах, Штина, 1969). Комбинированный сложный компост в своей основе имеет значительное участие свободной воды и свободного кислорода. Под действием растворителя от поверхности твердого вещества отхода постепенно отрываются отдельные ионы и молекулы, распределяясь равномерно по всему объему. Через некоторое время раствор становится насыщенным. При насыщении растворителя ионы и молекулы растворяемого вещества образуют при формировании сложного компоста относительно новую однородную среду. При растворении водой в итоге химического взаимодействия растворенного вещества с растворителем различных отходов образуются сульфаты или гидраты. Дисперсность системы сложных компостов. Коллоидные свойства у сложных компостов проявляются при относительно более крупных размерах частиц, чем это характерно в целом для коллоидно-дисперсных систем отходов. Выраженными коллоидными свойствами обладают частицы размером от 0,001 мм и менее. Высокодисперсные частицы «созревшего» сложного компоста в подавляющем большинстве случаев заряжены отрицательно и потому могут сорбировать различные катионы. В качестве обменных оснований, составляющих их диффузный слой, в коллоидах сложного компоста встречается в основном кальций и реже – магний. Встречаются также ионы калия, но обычно в небольшом количестве (Белюченко, 2013 б, в). 26 Диффузный слой коллоидных мицелл, особенно зрелого сложного компоста, насыщен катионами (кальцием, магнием, калием, натрием), реже ионами водорода. Степень насыщенности основаниями в коллоидах зрелых сложных компостов доходит до 80100%. Емкость поглощения (обмена) сложных компостов перед их внесением в почву определяется составом и количеством высокодисперсных частиц. Представление о емкости катионного обмена наиболее распространенных компонентов высокодисперсных сложных компостов (мг-экв./100 г вещества) можно получить по результатам исследований каолинита и гидрослюд, монтмориллонита и гуминовых кислот черноземных почв (Горбунов, 1963), гумуса (Роде, 1965), а также в процессе развития сложного компоста (Белюченко, 2012 а). Для поглотительной способности коллоидов сложного компоста большое значение имеет содержание в них гумусовых веществ. Важную роль в нем играет минеральный состав, а также соотношение между минералами группы монтмориллонита, с одной стороны, и каолинита, с другой. Монтмориллонит обладает высокой дисперсностью и значительной поглотительной способностью. Каолинит менее дисперсен и в силу своей кристаллохимической структуры обладает меньшей емкостью поглощения. Значительный интерес вызывает проблема географического распространения основных минералов тонкодисперсной части почв, отражающих состав подстилающих веществ, формирующих урожай и определяющих вынос растениями органических и минеральных составляющих (Белюченко, Славгородская, 2013 в). Минеральный состав высокодисперсной части сложного компоста определяется подстилающими почвообразующими породами. Поскольку основными почвообразующими породами на территории России выступают в основном четвертичные отложения, то в большей части сложных компостов преобладают гидрослюды и монтмориллониты (Горбунов, 1963), оказывающие значительное влияние на развитие и урожай растений. Попытаемся оценить возможное количество раствора, которое могут содержать коллоиды в сложном компосте, включая основные соединения в коллоидном состоянии, не касаясь суспензии из окиси марганца, железа, кремнекислоты и т.д. Значительная часть этих веществ (до 10%) в виде золей перед внесением в почву находится в растворе (Белюченко, 2012 в). 27 Коллоидные вещества сложного компоста обладают наибольшей степенью дисперсности и удельной поверхности, а также и наибольшей поверхностной энергией и потому в сравнении с коллоидами в состоянии геля будут весьма активными. Тем не менее определить количество самой эффективной части сложного компоста пока достаточно сложно. С одной стороны, методы определения концентрации различных веществ в сложном компосте довольно сложны, а с другой, – эффективные методы выделения коллоидов пока еще отсутствуют. Предпочтительный способ выделения коллоидных веществ из водных вытяжек сложного компоста, которым пользовались и мы, основан на гидролизе солей с использованием гумусовой кислоты и солей алюминия, образующих коллоиды гидроокиси алюминия и гумусовой кислоты при их гидролитической диссоциации (Белюченко, 2013 г). Применяемый метод позволяет вести диализ при постоянном токе воды. Количество минеральных коллоидных веществ на 1 кг природной почвы составляет около 0,1 г, а на пашне чернозема обыкновенного – 0,07-0,08 г; органических коллоидов в почве – около 0,4 и на пашне – 0,3 г; основная часть приходилась на органические коллоиды (на пашне рассчитанное соотношение органических и минеральных коллоидов составлялj 4-5:1). Минеральные коллоиды при диализе поглощаются органическими коллоидами. Минеральная часть проанализированной вытяжки сложного компоста представлена в основном кремнекислотой, окисью алюминия и окисью железа (SiO2 + AI2O3 + Fe2O3 = 0,4 г/кг); в расчете на 1 кг почвы: SiO2 – 0,05; AI2O3 – 0,25; Fe2O3 – 0,25 г/кг. В наших исследованиях доля минеральных коллоидов в сложном компосте составила: SiO2 – 0,1, AI2O3 – 0,2, Fe2O3 – 0,5 г/кг, органических – 2,3 г/кг (0,8 к 3,0), а их соотношение составило 1:4,25. Сложный компост содержит значительное количество минеральных и органических гелей, набухающих и отличающихся клейкостью и вязкостью. Поэтому коллоиды сложного компоста находятся в состоянии ненасыщения или относительного насыщения щелочными металлами (рН 6,8-7,2), мало растворимы и обладают определенными физическими свойствами (набухаемость, клейкость и вязкость гелей). Если поглощающие вещества сложного компоста насыщены кальцием, железом, марганцем и алюминием, то формируемые ими гели весьма гидроморфны (Сорокина, Когут, 1997). 28 Органические и минеральные коллоидные вещества играют важную роль в функционировании почвы при внесении в неѐ сложного компоста, но их функция в основном будет осуществляться в верхнем слое субстрата. Большой научный и практический интерес представляет изучение физико-химических особенностей таких дисперсных систем, как сложный компост, почва, перегной, осадки сточных вод, дефекат, древесные опилки, фосфогипс, галит, зола и другие отходы, состав которых меняется и развитие во времени проходит по-разному (Белюченко, 2012 в). Поскольку физические основы отходов различаются по своему происхождению и продолжительности формирования, то и их химические и биологические свойства варьируют весьма заметно; обобщается состав и свойства дисперсных систем наиболее известных образований, пригодных для компостирования и использования в сельском хозяйстве (Christensen, 1992). Таким образом, физические свойства сложного компоста зависят от степени его насыщения поглощающими коллоидами, при завершении формирования и «дозревания» физические свойства его гелей изменяются, увеличивается также их гигроскопичность, изменяются влагоемкость, вязкость, клейкость и т.д. В исследованных сложных компостах содержание коллоидальных веществ (органических и минеральных) в его растворе на 100 г почвы колеблется от 0,03 до 0,08 г, а в окультуренных почвах (черноземы) – от 0,012 до 0,004 при сухом остатке водной вытяжки 0,06–0,04 г. Коллоидных веществ в черноземной почве относительно много, но их значительно больше в сложных компостах (Belyuchenko, 2014 в). Иными словами, дисперсионную среду и дисперсную фазу отдельных отходов с самыми различными свойствами, используемых для создания сложного компоста, представляют вещества в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Твердая дисперсионная среда может быть представлена у ряда отходов дисперсными фазами твердого вещества (горные породы, фосфогипс, алюмосиликаты и др.), у других – жидкостями (влажная почва, сложные компосты, золи и др.), у третьих - газами (включая почву, сложные компосты, речной ил и др.). Жидкая дисперсионная среда составлена дисперсными фазами твердого вещества (гели, пасты, студни), жидкости (эмульсии, суспензии, жидкие среды клеток и в целом организмов) и газов (шипучие напитки и т.д.). Дис29 персионная газовая среда включает газовую дисперсную фазу галогенной смеси (воздух, природный газ), жидкую дисперсную фазу (иней, туман, аэрозоли и др.), а также дисперсные фазы твердого вещества (пыль, дым, пыльные и песчаные бури, пыльные наносы и др.). 30 ГЛАВА 2 МИНЕРАЛЬНЫЕ ОТХОДЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ СЛОЖНЫХ КОМПОСТОВ ECOLOGICAL FEATURES PHOSPHOGYPSUM AND PRACTICALITY OF ITS USING IN AGRICULTURE The report summarizes the results of studies of physical, chemical and biological characteristics of phosphogypsum production Belorechensk chemical plant; analyzed the specificity of its conduct in making the soil in pure form and in the form of compost; demonstrated the possibility of its use as a ameliorant to improve the fertility of an ordinary chernozem in the steppe zone of the Krasnodar edge. Обобщены результаты изучения физических, химических и биологических характеристик минеральных отходов; проанализирована специфика их поведения при внесении в почву в чистом виде и в составе сложного компоста; показана возможность использования некоторых из них в качестве мелиоранта по улучшению плодородия чернозема обыкновенного в условиях степной зоны края. Продуктом механической (дробление) и химической (экстракция Р2О5 с использованием концентрированной серной кислоты) обработки природных Ковдорских апатитов Кольского полуострова является дигидратный фосфогипс Белореченского химзавода. В технологическом процессе при экстракции фосфора из апатитов образуются отходы высокой дисперсности с кислой реакцией среды (рН примерно 3,5), а также значительной концентрацией серы и кальция при их низкой растворимости. Это обусловливает многолетний эффект воздействия минерального отхода на почвенный покров и его биологическую активность. Процессы добычи сырья (апатиты, калийные соли, цементная мука и т.д.) и их перемешивание, дробление и экстракция соединений и сопутствующих элементов в отходах, перекачка их в шламонакопители и другие мероприятия существенно влияют как на физические, так и на химические свойства весьма непростого их химического производства (Белюченко, 2006; 2007; Белюченко, Антоненко, 2014). Обобщая данные наших опытов по оцен31 ке минеральных отходов с результатами исследований других авторов, в настоящей главе мы анализируем их экологические особенности и возможности использования в сельском хозяйстве (Алексеев, 1994; Белюченко, 2008; 2009 б). Основным содержанием настоящей публикации является анализ механизмов поддержания почвенного плодородия при внесении фосфогипса и других минеральных отходов (галиты, сильвиниты, цементная мука, зола подсолнечника, древесная зола и др.). Экологические свойства минеральных отходов. Для минеральных отходов свойственна большая гетерогенность гранулометрического состава, физическая и химическая стабильность и длительное сохранение физико-химических свойств вследствие слабой их растворимости. Химическая и физическая стабильность минеральных отходов и их способность продолжительное время (десятилетия) сохранять свои свойства является итогом длительного геологического периода формирования минералов из группы осадочных пород, что обусловило определенное соотношение реакционно активных и относительно инертных элементов, находящихся в малорастворимых соединениях породного состава (Водяницкий, 2004; Белюченко, 2009 а). Дигидратный фосфогипс включает механически разрушенную горную породу (апатиты), обработанную серной кислотой с добавлением после экстракции Р2О5 известкового раствора; отличается значительным содержанием в составе продукта нерастворимых соединений (CaO, SО3, Al2O3, Fe2O3, SiO2, MgO); растворимых соединений в фосфогипсе чрезвычайно мало (не более 0,2%). Поскольку нерастворимые компоненты фосфогипса гидратированы мало и лишены органических соединений, их взаимной коагуляции не происходит и структурные агрегаты в чистом виде не образуются, что и определяет сходство свойств фосфогипса независимо от производства, а различия зависят от специфики химического состава породы и технологии экстрагирования фосфорной кислоты (Belyuchenko, 2014 б). По физико-химической характеристике дигидратный фосфогипс – пастообразный сульфат кальция (CaSO4 x 2H2O) с примесью неразложившихся разнообразных фосфатов. Дисперсность фосфогипса обусловлена его физической специфичностью: тонко размолотыми частицами коллоидного субстрата; его коллоиды не прони32 кают через тонкопористые мембраны клеток живых организмов и характеризуются обычно неравновесной растворимостью (Белюченко, 2013 в). Изучение физических характеристик фосфогипса в сравнении с другими дисперсными системами представляет значительный интерес для установления возможностей их совмещения и использования в сельском хозяйстве с целью улучшения физических, химических и биологических свойств почвы. Физика различных типов и разновидностей почв в литературе освещена хорошо, однако влияние органических веществ и фосфогипса при внесении в почву изучены мало. Фосфогипс представляет собой твердые промышленные отходы химического производства, доля которых весьма значительна по сравнению с основным продуктом: на 1 т Р2О5 образуется 4,254,27 т фосфогипса, представляющего собой дигидрат сульфата кальция с наличием в нем многочисленных примесей. Фосфогипс – это природный конгломерат практически всех элементов земной коры, которые при еѐ естественной эволюции в прошлом в разном соотношении по зонам составили минеральную часть почвы (до 90% и выше), а переработанные микроорганизмами отмершие растения и животные определили еѐ органическое вещество (до 10%). Из физических структур в фосфогипсе преобладают фракции, относящиеся к физическому песку (до 30%). Долевое участие тонкодисперсной физической глины, обусловливающей процессы коагуляции субстрата, колеблется от 20 до 23%. Основу физического песка составляют соединения кремния, который широко используется растительными и животными организмами для построения оболочек клеток, прочных тканей и скелета; его средняя концентрация в наземной растительности составляет примерно 0,5% на сухое вещество. В организме человека его содержание незначительное – около 0,2%. Его биологическая роль до конца не выяснена. Установлено, что этот элемент влияет на метаболизм липидов и участвует в образовании эпителиальных (поверхностных) слоев кожи и внутренних органов (в основном дыхательных путей) (Belyuchenko, 2014 к; Belyuchenko, Mel’nik, 2014). Фосфогипс Белореченского химзавода является нетоксичным пастообразным высокодисперсным сульфатом кальция с примесью неразложившегося фосфата, фосфорнокислых солей, многочислен33 ных силикатов, а также недосмытых серной и фосфорной кислот и незначительных включений редкоземельных элементов. Относительно высокая дисперсность фосфогипса определяется специфичностью его физического состояния в виде смеси тонко размолотых частиц коллоидного вещества, распределенных в однородной среде; его коллоиды отличаются малой скоростью диффузии, не проникают через тонкопористые мембраны клеточных структур живых организмов и характеризуются неравновесной растворимостью. Очень важным свойством анализируемой дисперсной системы является способность молекулярного взаимодействия еѐ частиц, в составе которых значительное место занимают ионы Ca2+, Si2+, Fe3+, S2- и других элементов, что определяет их способность агрегироваться с органическими (навоз, перегной) и органоминеральными веществами (почва) в хлопьях и давать студнеобразные, а затем и твердые коагуляционные структуры. В фосфогипсе Белореченского химзавода твердая фаза сульфата кальция представлена дигидратом (СаSO4х2Н2О). Отделение фосфорной кислоты от кристаллического осадка CaSO4 осуществляется в процессе еѐ фильтрации. Кристаллы фосфогипса по форме весьма разнообразны: волокнистые, игольчатые, пластинчатые, столбчатые. В своих исследованиях мы выделили и определили долевое участие наиболее представленных форм кристаллов в общей массе фосфогипса: волокнистые – до 0,01 мм, игольчатые – до 0,01, пластинчатые – до 0,4 длины и столбчатые – до 0,2 мм высоты, на долю которых в свежем фосфогипсе приходится соответственно 5, 8, 73 и 14%. Пылеватые мелкие частицы в чистом виде практически не встречаются, а адсорбированы продолговатыми и столбчатыми структурами (Belyuchenko, 2014 а). По данным различных авторов в состав фосфогипса входит примерно 95% дигидрата сульфата кальция, до 3-4% фосфорных соединений и 1,5% примесей (микроэлементов, тяжелых металлов и неметаллов). В процессе производства для экстракции фосфорных соединений на производстве применяется серная кислота, определяющая весьма сильнокислую реакцию фосфогипса (рН около 3,0). Технологии, внедренные в последние годы на Белореченском химзаводе, позволили повысить рН (понизить кислотность) фосфогипса до 5,5. 34 Фосфогипс имеет слоистую кристаллическую решетку, в которой молекулами воды отделяются слои кальция (Са2+) и сульфата (SO42-). На структуру фосфогипса большое влияние оказывает также содержание в нем различных физических и химических примесей. Физико-механические свойства фосфогипса определяются полидисперсностью различных фосфоритов серо-белого цвета, представляющих агрегаты частиц и комки с межагрегатными пустотами. Фосфогипс Воскресенского ПО «Минудобрения» составлен призматическими друзами (до 1 мм) и сростками (до 0,2 мм). Поскольку на частицах-кристалликах оседает большое количество мелкой пыли, то по окраске они различаются оттенками от прозрачной до матовой, а размеры частиц варьируют от 0,05 до 1,6 мм. В агрегатном составе фосфогипса Белореченского химзавода преобладают частицы менее 0,25 мм (от 62,1 до 68,3%), тогда как в почве и в перегное доля этой группы частиц весьма незначительная – 2,2 и 1,3% соответственно (табл. 2.1). В почвах и в перегное основу общей массы составляют фракции частиц диаметром от 0,25 до 6,0 мм – 73,9 и 79,6% соответственно, а в фосфогипсе на их долю приходится от 30,6 до 37,0%. Оструктуренность перегноя из отходов КРС на 42% выше, чем чернозема обыкновенного. Фосфогипс чисто формально можно считать слабооструктуренным (от 0,5 до 0,6%). Однако именно фосфогипс содержит наибольшую массу коллоидных соединений с мощной коагуляционной способностью. Таблица 2.1. Агрегированность фосфогипса, чернозема обыкновенного и перегноя из отходов КРС Диаметр агрегатов, мм >6 5-6 4-5 3,5-4 3-3,5 2,5-3 2-2,5 1-2 0,25-1 < 0,25 ∑(>6 и Фосфогипс прошлых лет 0,9 3,8 8,2 7,0 4,4 3,0 3,6 4,1 2,9 62,1 63,0 Содержание агрегатов,% Чернозем обыкновенный 1,1 24,5 2,9 6,3 6,2 11,0 4,7 5,0 4,4 4,3 2,5 5,0 2,7 13,6 4,1 19,5 2,0 8,6 68,3 2,2 69,4 26,7 Фосфогипс свежий 35 Перегной 19,1 4,8 8,3 7,3 2,4 6,7 13,1 24,2 12,8 1,3 20,4 <0,25) ∑(0,25-6) Кс 37,0 0,6 30,6 0,5 73,3 2,75 79,6 3,9 Изучаемые субстраты (дигидратный фосфогипс, почва и перегной) заметно различаются по содержанию физической глины (частицы < 0,01 мм). Установлено, что почва выделяется значительным содержанием глины (еѐ доля в гранулометрическом составе в среднем составляет 47% при колебании от 42 до 58%); в фосфогипсе доля глины заметно ниже (колеблется по образцам от 18,3 до 25,7%). Внесение фосфогипса в почву существенно влияет на еѐ физические свойства, поскольку добавляются значительные количества относительно крупных (>0,01 мм) частиц песка, доля которых в этом субстрате составляет до 75%. С внесением в почву фосфогипса повышается аэрация, порозность, инфильтрация, содержание кислорода и кремнийсодержащих веществ, обладающих мощной потенциальной способностью коагулировать с органическими соединениями почвы (Мельник, Славгородская, 2008; Славгородская, 2013 д). Удельная поверхность фосфогипса достаточно велика и в среднем составляет 3950 см2/г, определяется методом воздухопроницаемости на приборе ПСХ. Фосфогипс характеризуется определенной плотностью, которая зависит от его влажности, уплотнения и т.д. После измельчения и просеивания плотность фосфогипса, определенная пикнометрическим способом, составила 2,2-2,4 г/см3. В общепринятом понимании фосфогипс не является коллоидной системой, но в нем содержится масса сверхтонких частиц сульфата кальция, кремнефторидов, натрия и калия, фосфатов полуторных окислов, соединений серы, различных агрегатов, адсорбированных на поверхностях его различных частиц, проявляющих коагуляционные свойства при их совмещении с органическими субстратами – навозом (перегноем) и почвой (Belyuchenko, 2014 а) . Состав дисперсных систем. Дигидратный фосфогипс отличается значительным содержанием в составе продукта нерастворимых соединений (CaO, SО3, Al2O3, Fe2O3, SiO2, MgO). Высокая дисперсность фосфогипса обусловлена специфичностью физического состава, важнейшими свойствами которого являются молекулярные взаимодействия его частиц с органическими компонентами и их совместная способность агрегироваться в хлопья и давать студнеоб- 36 разные или твердые коагуляционные структуры. Фосфогипс в целом можно определить как минеральную дисперсную систему. Свойства коллоидов. В фосфогипсе большая масса приходится на кальций – в расчете на элемент от 25 (сырой фосфогипс) до 30% (сухой фосфогипс). Большая доля в массе фосфогипса приходится на серу – от 21% в сыром фосфогипсе и до 24,3 в сухом, на стронций приходится от 0,3 до 0,4%, на неразложившийся фосфат от 1,3 до 4,2%, примеси (микроэлементы, тяжелые металлы и другие соединения) составляют 0,3-0,35%. Соотношение кальция и стронция в фосфогипсе производства Белореченского химзавода колеблется от 75 до 85, в почвах чернозема обыкновенного на Кубани эта величина составляет 120-150. При внесении в почву 5 т/га фосфогипса на 1 кг почвы пахотного слоя добавляется от 6 до 8 мг стронция. Содержание отдельных элементов в составе примесей сильно колеблется. Наибольшей массой в их составе выделяются титан, железо, кремний, стронций, фтор, барий, марганец, хром, лантан и церий (Добровольский 1997). Влияние ионов на свойства субстратов. Фосфогипс выделяется специфичностью химического состава - высокой концентрацией кальция и серы, в умеренных дозах в нем содержатся фосфор и кремний и в микроколичествах – остальные элементы земной коры. Фосфогипс оказывает существенное влияние на химические свойства почвы. Многие исследователи отмечают, что наибольший эффект фосфогипс дает в последующие годы. В вегетационных опытах мы изучали влияние фосфогипса на содержание подвижного фосфора, кальция и кислотность почвенной среды. При внесении фосфогипса в количестве около 7 т/га содержание подвижного фосфора по сравнению с контролем повышается на 7 мг/кг, содержание нитратов понижается и уровень рН снижается – от щелочной (8,2) до нейтральной (6,9) реакции среды. Изменение содержания подвижного фосфора и нитратов мы связываем с коагулирующей способностью фосфогипса и со снижением выщелачивания питательных веществ при их консервировании в агрегатах, а снижение рН - с воздействием кислотности фосфогипса и нейтрализацией таким образом почвенной среды. Для ионитов сильнокислотного типа минеральной дисперсной системы (фосфогипс) (Н+) не обладает высокой энергией связи и расположен в конце ряда среди одновалентных катионов. Многие 37 золи (например, гидроокиси Al, Si, Fe, Mn) изучаемых дисперсных систем характеризуются большим различием в упрочении гидратных оболочек атомов, и потому коагуляция в субстратах при смешивании происходит в основном с образованием рыхлых структурированных агрегатов (Калинина, Мельник, 2009; Данюкова, Мельник, 2010). Важнейшими свойствами фосфогипса являются молекулярные взаимодействия частиц с другими органическими компонентами (например, навозом, перегноем и др.), определяющие их способность агрегироваться в хлопья и давать студнеобразные или твердые коагуляционные структуры. Фосфогипс выделяется высокой концентрацией кальция и серы, а в микроколичествах в нем объективно представлены все элементы таблицы Д.И. Менделеева. Негативные особенности химического состава фосфогипса. Безусловно, наличие в фосфогипсе стронция, фтора, кадмия, свинца и других токсических элементов ставит перед экологами ряд вопросов, которые необходимо изучать системно, проследить передвижение этих элементов по цепям питания и их трансформацию с учетом изменения условий среды по сравнению с контролем в течение пяти-шести лет. Исходя из полученных результатов исследований остановимся на проблемах, связанных с содержанием в фосфогипсе фтора, стронция, хлора и некоторых других элементов. Фосфогипс можно определить как минеральную высокодисперсную систему. Фтор относится к неметаллам и обладает большой реакционной способностью и биохимической активностью. В биосфере фтор встречается повсеместно и по распространению в земной коре занимает 13-е место. В фосфорных удобрениях фтора содержится до 4%, в фосфогипсе – до 5% от количества в сырье. В фосфогипсе Белореченского завода на долю F, согласно нашим определениям, приходится до 0,12%, а по данным местной лаборатории – еще меньше. В фосфатном сырье, поставляемом Белореченскому химзаводу, фтора содержится в среднем 0,033% (Belyuchenko, 2014). Уровень содержания фтора в почвенном растворе зависит от доли глинистых минералов, уровня рН, концентрации кальция и фосфора; максимальная абсорбция фтора отмечена при рН от 6 до 7. В щелочной среде образуются CaF2 и комплексы фтора с железом, алюминием и кремнием и потому его миграция весьма низкая. Под38 вижность фтора усиливается натрием. При внесении фосфогипса до 10 т/га опасность загрязнения почв и растений фтором не больше, чем от внесения в почву принятой нормы фосфорных удобрений, особенно в черноземе обыкновенном, где в почвенном растворе его уровень контролируется ионами кальция. В растения фтор поступает в форме аниона и является антагонистом кальция, магния, калия, азота, но синергетиком по отношению к фосфору; в растении влияет на ферменты и катализаторы, из хлорофилла осаждает кальций и магний. К фтору чувствительна кукуруза, в еѐ зерне содержание фтора не должно превышать 3, в корнеплодах – 23, в сене – 30, в траве – 15 мкг/кг. Нами определены уровни загрязнения фтором урожая трав вокруг отвалов фосфогипса в районе Белореченска (расстояние 1020 м от отвала) и получены следующие результаты: разнотравье – 7,5-8,2 и злаки с С4-типом фотосинтеза (Sorghum halepensе, Setaria spp.) – 8,4-9,1 мкг/кг, а в поверхностном стоке его содержится до 7,2 мкг/л, что примерно равно фоновому содержанию этого элемента. На расстоянии 1 км от отвала фосфогипса фтор содержится в разнотравье в количестве 7,3-7,6; у злаковых – 8,1-8,5 мкг/кг; в воде отстойника – 7,0-7,2 и в колодце – 1,1 мкг/л, что на 5,8% ниже, чем в зоне влияния хранилища фосфогипса. Содержание водорастворимого фтора в почве в радиусе 1 км от отвалов составило 10-13 мкг/кг (при ПДК 10 мкг/кг), в некоторых древесных породах содержание фтора в результате газопылевых выбросов предприятия доходит до 18 мкг/кг, что превышает фон примерно в 1,8 раза, но заметно ниже принятой концентрации для кормов в США (30-50 мкг/кг). При сухом складировании фосфогипса в воздух уходит примерно 0,12% от содержащегося в нем фтора. Вокруг завода наблюдается некоторое повышение содержания растворимых форм фтора в почве (примерно на 10-15%) и в растениях (на 50-70%), что, естественно, ухудшает экологическую обстановку вокруг отвалов, которые являются важным источником эмиссии фтористых веществ во все составляющие ландшафта, заметно увеличивая их загрязнение. Отвалы влияют на окружающие ландшафты через дождевые стоки с их поверхности, а также в связи с просачиванием через экран и с газо- и пылевой эмиссией. Из 1 т фосфогипса с поверхности отвала выделяется примерно 6-8 г фтора с пылеватыми частицами и около 0,5 г в газовой фазе. Распростра39 нение пылеватых частиц с ветровыми потоками осуществляется весьма активно в 1-й зоне (до 1,5-2,0 км от отвалов) и ослабляется во 2-й зоне (2-4 км от отвала) примерно в 2-3 раза по сравнению с первой. За год дождями вымывается из отвалов до 12-15% фтора, который с поверхностным стоком в районе Белореченска распространяется на площади свыше 2,5 км2 вплоть до р. Белой, впадающей в реку Кубань. Нами проведено изучение содержания фтора от отвала в сторону города на расстоянии 1, 10 и 100 м в 1 кг почвы в слое 020 см (табл. 2.2) (Belyuchenko, 2014 б). Поскольку растения берут фтор из почвы, грунтовых вод и из воздуха, то его концентрация в растениях заметно выше, чем в почве. Содержание фтора в почве на расстоянии более 10 м от отвала превышает ПДК, но на расстоянии 100 м от наветренной и подветренной сторон его уровень (10 мкг/кг) находится на уровне ПДК. В пределах 100 м от края отвала концентрация фтора в листьях ивы составила 270, в разнотравье – 257, в надземной массе кукурузы – 73 мкг/кг. В полевых условиях под Краснодаром с внесением фосфогипса из расчета 3 и 50 т/га перегноя содержание фтора в надземной массе кукурузы составило 13,2 мкг/га, а с внесением NP – 9,7 мкг/кг; в зерне соответственно 10,3 и 10,1 мкг/кг, в зерне овса – 12,7 и в его соломе – 15,9 мкг/кг. Таблица 2.2. Содержание водорастворимого фтора в почве и растениях, мкг/кг Расстояние от отвалов, м 1 10 100 На юго-запад Слой почвы, Травяной см покров 0-5 5-20 14,1 10,8 27,9 11,9 9,7 22,4 8,7 8,3 15,7 На северо-восток Слой почвы, см 0-5 12,8 10,9 8,2 5-20 10,1 9,3 7,8 Травяной покров 22,7 16,9 13,9 Стронций. Содержание стронция в фосфогипсе высокое (на уровне фосфорных удобрений и даже выше), хотя по разным данным эти цифры сильно варьируют. По физхимии стронций является аналогом кальция; чем меньше доля кальция, особенно на кислых почвах, тем выше роль стронция в обмене веществ живых организ40 мов, а это означает, что на кислых почвах применять чистый фосфогипс нельзя. В черноземе обыкновенном на Кубани соотношение кальция и стронция колеблется от 110 до 150; содержание валового и обменного стронция выше, чем в черноземе выщелоченном, но среднее соотношение кальция и стронция близкое во всех типах черноземов – от 120 до 200. Обменный стронций от общего составляет 15-20%. Внесение фосфорных удобрений повышает долю обменного стронция и весьма существенно. Коэффициент корреляции между дозами Р2О5 и содержанием в почве стронция высокий и составляет R=0,98. Применение Р2О5 с другими минеральными удобрениями, особенно с азотными, увеличивает содержание подвижного стронция в почве. В фосфогипсе многих месторождений содержание подвижного стронция доходит до 20 мг/кг; соотношение кальция и стронция в фосфогипсе завода составляет 75-80, и потому фосфогипс как источник загрязнения почв мало отличается от фосфорных удобрений. Растения из фосфорных удобрений используют до 8% стронция, из неудобренной почвы - 0,4%, а из фосфогипса, где он находится в основном в связанной форме, – от 0,007 до 0,1%. Доля стронция в фосфорных удобрениях составляет от 0,5 до 4,0%. В черноземах содержание стронция в верхнем слое почвы составляет 0,04%, а кальция - 4,36, и отношение кальция к стронцию больше 100. Относительно низкое накопление стронция в урожае характерно для злаков с С3-типом фотосинтеза (пшеница до 14,5 мг/кг зерна), злаки с С4-типом фотосинтеза стронция накапливают больше (кукуруза до 19,5 мг/кг зерна), еще больше концентрирует его свѐкла – 44,5 мг/кг сухого вещества, горох – 57,4, подсолнечник – 65,6, много накапливают его также виноградные. Зола – калийное и фосфорное удобрение; еѐ богатство кальцием позволяет использовать для снижения кислотности почвы. Зола оценивается как минеральная дисперсная система калийнокальциево-фосфорного направления. Стебли подсолнечника содержат: К2О – 30-35, Р2О5 – 2,4, СаО – 18-20%; солома ржаная: К2О – 10-14, Р2О5 –4-6, СаО – 8-10%; березовые дрова: К2О – 10-12, Р2О5 – 4-6, СаО – 35-40%; сосновые дрова: К2О – 6-8%, Р2О5 – 2-4, СаО – 35-40%. 41 Галитовые отходы. На 1 т KCI образуется 3-4 т галитовых отходов, основным компонентом которых является NаCl. Галиты представляют собой осадочную горную породу в виде плотной зернистой массы. В чистом виде галиты прозрачны и бесцветны, окрашены примесями в желтый, серый и красный цвета. В отходах содержатся KCl, MgCl2, CaSO4, а также соединения брома. Отвал представляет зернистую сыпучую массу, в которой концентрируется до 10% маточного раствора. После проведения флотации галитовые отходы перерабатывают на техническую и пищевую соль. При производстве калийных удобрений проблема ликвидации отходов, к сожалению, не решается. Значительная их часть применения не находит и накапливается в отвалах. Возможно их надземное захоронение и растворение с последующей перекачкой в подземные горизонты. Залегает в виде слоев осадочных пород вместе с гипсом, калийными и другими солями. Крупные его залежи приурочены к осадкам пермского периода в районах близ г. Соль-Илецка, в Соликамске, в Белоруссии и в других местах. Из этого отхода получают соду, хлор, едкий натрий, соляную кислоту и другие продукты (Belyuchenko, 2014 а) . При переработке сырья в калийной промышленности образуются ежегодно миллионы тонн твердых галитовых отходов и сотни тысяч тонн глинисто-галитовых шламов. Вместе с пустой породой солеотвалы калийных предприятий занимают площадь около 250 га и около 200 га приходится на шламохранилища в пределах одного завода. Из сильвинитовых руд на 1 т KCI в виде отвала образуется 3-4 т галитовых отходов, содержащих до 89-90% NaCI, 4,4-5,0 KCI, 1,1 CaSO4, 0,1 MgCI2 и 4,5% нерастворимого остатка. Влажность галита – 10-12%, а в отвалах снижается до 5-8%. В России ведутся работы по снижению количества солевых отходов на земной поверхности (технология горных работ с сокращением выемки из шахт галита и пустой породы и возврат отходов флотации в выработанные пространства рудников). Получаемые из сильвинитовых руд глинисто-солевые шламы, образующиеся при флотационной переработке, представляют тонкодисперсные суспензии нерастворимого осадка в рассолах, солезадержание которых составляет 200 г/л. Взвесь шламовой пыльцы 42 включает алюмосиликаты, сульфаты, карбонаты. Рассматривается как минеральная дисперсная система. Глинисто-солевые отходы. В процессе производства калийных удобрений образуются галитовые и глинистые шламы, солевые и сточные воды, минерализованные рассолы шламохранилищ, а также отходящие газы со стадии сушки. Глинисто-солевые шламы представляют собой суспензию в минерализованном рассоле. Состав рассола (масс%): KCI – 10-11, NаCl – 20-22. Твердая фаза состоит из мелкодисперсных частиц песка, глины и других включений. Ни один из методов утилизации шламов не применяется в промышленном масштабе. Главным препятствием является повышенная влажность отходов – 70-80%, мелкодисперсность и высокая вязкость. Глинисто-солевые шламы через гидротранспорт подаются в шламохранилища, которые обносят дамбами, углубляют на 20-40 м с целью сокращения площадей, являющихся источником загрязнения окружающей среды. Метод освобождения сильвинита от шламов основан на ферромагнитных свойствах оксида железа Fe2O3 (57%). Сухие глинистые шламы могут быть использованы в качестве калий-магниевых удобрений на песчаных почвах и рассматриваются как минеральная дисперсная система. Сильвинит представляет собой осадочную горную породу из смеси галита и сильвина и некоторых примесей с плотным агрегатом его кристаллов (23-24%) и других галоидных и сульфатных соединений; используется как калийное удобрение. Соотношение хлоридов калия и натрия варьирует, в примесях присутствуют песок, гипс, глина; в воде хорошо растворим; минеральная дисперсная система. Сильвин – минерал, хлористый калий KCI, сходный с каменной солью, но на вкус горький; содержит 52,5% калия. Твердость 2,0-2,5, удельный вес 1,9-2,0. Крупнейшее мировое месторождение – Соликамское на Северном Урале; минеральная дисперсная система. Минеральные отходы и их использование. Минеральные отходы являются дисперсными и коллоидными системами, которые заметно различаются коллоидным состоянием, составом, коагуляционными и седиментационными свойствами, что обусловлено их физическими и химическими особенностями. Важное значение имеет минеральный состав и прежде всего соотношение между минеральными фракциями гранулометрического состава сложных компостов 43 из монтмориллонита и гидрослюд, с одной стороны, и каолинита, с другой, различающихся дисперсностью и поглотительной способностью. Из всех составляющих сложного компоста тяжелые металлы сорбируются тяжелыми гранулометрическими фракциями (Белюченко, Мельник, 2013). Сорбция тяжелых металлов снижается при щелочной и слабощелочной реакции сложного компоста, и эти загрязнители переходят в слаборастворимые вещества и мало поступают в растения, а также в грунтовые воды. Основными соединениями, связывающими тяжелые металлы, являются силикаты, оксиды, гидроксиды, соли. Переходу тяжелых металлов в слаборастворимые соединения способствует удобрение верхнего слоя почвы сложным компостом с содержанием органического вещества до 10% и больше и высоким уровнем органических и минеральных коллоидов, сорбирующих тяжелые металлы. Высокая емкость катионного обмена усиливает связывание тяжелых металлов; дренирование участка способствует окислению тяжелых металлов, ослаблению их миграции и использованию растениями (Belyuchenko, 2014 в). Сорбционные свойства минеральной части почвы обусловлены в основном глинистой фракцией, где господствуют каолиниты и вермикулиты. Их способность присоединять катионы тяжелых металлов свойственны монтмориллониту и вермикулиту. Ряд металлов осаждается с карбонатами, а также сорбируется на оксидах железа и марганца. С карбонатами легко осаждаются Mn, Cd, Co, Cu, Ni, Pb, Zn. В составе фосфатов, включая фосфогипс, много тяжелых металлов: Cu, Zn, Pb, Mn, Cd, Ni. Органические вещества способствуют накоплению тяжелых металлов; фульвокислоты образуют комплексные соединения – фульваты тяжелых металлов (Агафонов, 1999; Белюченко, 1997; 2001; 2003б; 2007). Минеральные отходы представляют собой дисперсную систему, не образующую устойчивые коллоиды, поскольку их нерастворимые элементы гидратируются очень мало, не инициируют взаимной коагуляции или седиментации и структурные агрегаты не образуют. Органические отходы, переработанные микроорганизмами, представляют дисперсную систему, где в силу высокой еѐ гидратации в процессе взаимной коагуляции органических и минеральных коллоидов формируются гелеобразные структуры, являющиеся носителями увлажнения и плодородия (Belyuchenko, 2014 а). 44 Совмещение дисперсных систем различных отходов со своими специфическими коагуляционными свойствами, дополняющими друг друга и создающими весьма устойчивые агрегаты, заметно улучшает физические (аэрация, инфильтрация и др.), химические (обогащение органическими веществами, Са, S, Si и микроэлементами) и биологические (увеличение количества и численности популяций бактерий, грибов, актиномицетов и одноклеточных водорослей) свойства почвы (Белюченко, 2002; Мельник, 2009 б; Ткаченко и др., 2010; Белюченко, Славгородская, 2013 в). Почва, обогащенная с внесением сложного компоста органическими и минеральными коллоидными системами, отличается взаимной коагуляцией и седиментацией положительно заряженных частиц с отрицательно заряженными гуматами и кремнием, на основе которых формируются структурированные коагели, составляющие основу еѐ плодородия. Рациональное использование отходов основных направлений производства и потребления будет способствовать высвобождению земельных территорий и практической выгоде при их использовании под посевы сельскохозяйственных культур. Создание сложных компостов с включением бытовых, сельскохозяйственных и промышленных отходов на основе варьирования их типов и соотношений определяет специфику дисперсности и коллоидальных характеристик химического и биологического многообразия, расширяет экологические ниши и существенно корректирует агрономическое качество верхнего слоя почвы в течение 5-6 лет. Минеральные отходы осуществляют физическую и химическую стабилизацию органического вещества почвы через снижение влаги и инактивацию редуцентов, размещающихся на поверхности микроагрегатов в связи с наличием и возможным образованием отдельных видов кислот. Наибольшая доля микроорганизмов свойственна внешней части микроагрегатов, внутри которых размещаются микрочастицы минеральных отходов, имеющие силикатную основу и образующие гидрофобные зоны. Поскольку в навозе, дефекате, осадках сточных вод и в других органических отходах органические вещества представлены в основном биохимически лабильными материалами, то они активнее поддаются физической и химической 45 стабилизации (Белюченко, 2009 б). Важным направлением стабилизации органического вещества в почве является агрегация еѐ частиц. Основным центром аккумуляции органического углерода и азота являются микроагрегаты, представляющие вторичные комплексы минеральных коллоидов различных отходов с органическими частицами почвы или органических отходов. Агрегаты формируются в процессе перестройки органических частиц и их осаждения на минеральных коллоидах. Предстоит еще много исследований по выяснению механизма агрегирования органических и минеральных коллоидов. Ядром формирующихся агрегатов при внесении в почву минеральных отходов, на наш взгляд, выступает не почва, а коллоидные частицы отходов, поскольку именно они играют основную роль в поддержании стабильности микроагрегатов, создающих своего рода физико-химические барьеры для сообществ микроорганизмов, влияющих на трофические связи, состояние минеральных элементов, накопление воды и т.д. (Белюченко, 2011 в; 2012 а; Белюченко, Славгородская, 2011; Belyuchenko, 2014 б). Основной механизм агрегирования при внесении минеральных коллоидов, по нашему мнению, определяется образованием органоминеральных комплексов через связывание лабильных органических веществ достаточно устойчивыми агрегирующими образованиями (прежде всего гуминовыми веществами) с микрочастицами коллоидов различных минеральных отходов, что легко заметить при увлажнении и перемешивании отходов и почвы. Образование микроагрегатов с участием минеральных отходов наблюдается уже на 2-3-й день после перемешивания этих субстратов с накоплением органических веществ на поверхности частиц минеральных коллоидов. По разным причинам с внесением в почву сложного компоста интенсивность разложения органического вещества в ней снижается и период полураспада органического вещества повышается. Проблемы агрегирования почвы и сложного компоста представляют большой научный и практический интерес, и их исследования весьма важны. Остановимся на наиболее важных свойствах минеральных отходов (Белюченко и др., 2012 в). Гранулометрический состав минеральных веществ. Изучение гранулометрического состава минеральных отходов показало их отличие от почвы в том, что доля частиц меньше 0,25 мм в мине- 46 ральных отходах весьма высокая и колеблется от 62 до 70%, а частицы меньше 0,1 мм составляют 36-41% (табл. 2.3). Таблица 2.3. Гранулометрический состав изучаемых субстратов Размер структурных частиц (мм) и их содержание (%) Субстрат Почва Фосфогипс Полуперепревший навоз КРС Почва + фосфогипс Почва + полуперепревший навоз + фосфогипс 1– 0,25 0,25 – 0,05 0,05 – 0,01 0,01 – 0,005 0,005 – < 0,001 0,001 Физическая глина,% 1,14 22,3 10,33 55,04 34,91 1,33 3,08 0,32 12,9 5,14 37,64 15,87 53,62 21,33 5,23 13,19 40,08 6,68 13,33 21,49 41,50 3,43 22,17 17,39 12,26 27,32 17,43 57,01 3,73 16,13 16,12 7,05 32,99 23,97 64,02 При внесении минеральных отходов в почву основная масса их частиц <0,1 мм покрывается сверху массой мелких органических или органоминеральных образований почвы и формируются макроагрегаты (размерами более 1 мм) и достаточно устойчивые микроагрегаты с диаметром частиц фосфогипса до 1 мм (рис. 2.1). Особенность совмещения органической части почвы и минеральных отходов благоприятствует улучшению аэрации субстрата, обогащению почвы кислородом, повышению еѐ порозности и понижению плотности, активному поглощению и более экономному расходованию влаги и т.д. (Славгородская, 2009 а,б; Белюченко, Славгородская, 2011). 47 Рис. 2.1. Взаимодействие органического (полуперепревший навоз КРС) и минерального (фосфогипс) отходов Валовый состав минеральных отходов. Изучаемые отходы минерального производства содержат в различных соотношениях оксиды, составляющие основу земной коры (CaO, Fe2O3, FeO, MgO, TiO2, MnO2, Cr2O3, CuO, SiO2, BaO) и запасы которых в настоящее время в почвах сократились в связи с выносом с урожаем, выветриванием и выщелачиванием, что, естественно, отражается на плодородии почвы, а также на количестве и качестве урожая сельскохозяйственных культур. Поступление в почву этих веществ в малых дозах способствует еѐ обогащению и благоприятствует развитию растений и образованию ими качественного урожая. Внесение в почву минеральных коллоидов способствует еѐ обогащению кальцием, серой и другими элементами (Белюченко, 2008; 2011 а). С внесением минеральных отходов в почве повышается содержание минеральных коллоидов, усиливается еѐ агрегирование, улучшается аэрация, больше накапливается и сохраняется влаги, экономнее расходуются органические вещества и азот, интенсивнее разлагаются стерневые остатки кукурузы, подсолнечника, суданской травы и других трудноразлагаемых растительных отходов. В зерне озимой пшеницы повышается содержание белков, углеводов, провитамина А, витаминов группы В, аминокислот, растворимых полисахаридов, биотина, бетаглюкана и минеральных элементов Mg, Ti, Mn, Ca, S, P, Si, Fe, K, Cr, Cu, Ba, Zn и др. (Белюченко, 2010 а). Растворимость минеральных отходов. В лабораторных условиях было установлено, что растворимость минеральных отходов в режиме попеременного увлажнения и высушивания на первом этапе составила у фосфогипса около 0,35%, а у галитов – до 0,44% (рис. 2.2). В последующем этот показатель существенно снижался, и за 5 этапов растворимость фосфогипса в эксперименте составила в сумме около 0,7%, а галита – 1,3%. Мы также оценили растворимость фосфогипса в почве, где она существенно увеличилась по сравнению с лабораторной. В почве в течение года может раствориться фосфогипса до 10-12%, а галита больше 15%. По всей видимости, с уменьшением размеров частиц минеральных отходов их растворимость в почве повышается. По нашим расчетам, действие фосфогипса будет проявляться в почве достаточно активно от 5 до 7 48 лет в связи с низкой растворимостью и постепенным переходом его растворимых веществ в ППК. Дальше его влияние на ППК почвы также будет проявляться, но значительно меньше, и для поддержания валового состава почвы необходимо его новое внесение. Примерно такие же характеристики растворимости получены и для галитов. Рис. 2.2. Растворимость фосфогипса Компостирование минеральных и органических отходов. С внесением минеральных отходов в почву после увлажнения субстрата активно образуются достаточно устойчивые микро- и макрогрегаты (Белюченко, Славгородская, 2011; Белюченко, Никифоренко, 2012; Белюченко, Славгородская, 2013 а). Известно, что органическое вещество (гумус) в различных типах почв отличается по срокам развития, но в общем выделяется относительно коротким жизненным периодом. Внесение минеральных отходов в почву способствует образованию в ней микро- и макроагрегатов органоминерального комплекса. Агрегация органических и минеральных частиц является важнейшей основой физической стабильности органического вещества, а сами агрегаты выполняют роль главного хранителя в почве органического углерода. Образующиеся с минеральными отходами агрегаты различаются по форме, размеру, механизму агрегации. Главным организатором и ядром агрегатов в почве является органическое вещество. В случае внесения минеральных отходов организатором также выступает органическое вещество, но ядром образующихся агрегатов являются минеральные частицы ме49 нее 0,1 мм, на которые «наклеивается» масса органических (гуминовые вещества, белки и др. образования) и мелких минеральных частиц (алюмосиликаты). Предварительная оценка продолжительности периода полураспада гумуса в черноземе обыкновенном в условиях Кубани колеблется, по нашим расчетам, от 1,5 до 2,5 лет, т.е. период расходования органического вещества в макроагрегатах в среднем составляет 15-25 лет. Исследования в этом направлении весьма перспективны, поскольку внесение минеральных отходов и усиление в почве агрегирования (микро- и макро-) способствует защите еѐ органического вещества и благоприятствует его компостированию с органическими отходами (полуперепревший навоз, дефекат, птичий помет, осадки сточных вод и т.д.). Это способствует удлинению периода активной функции минеральных отходов и органических веществ в почве до 5 лет и больше благодаря их экономному расходованию (Белюченко 2012 в; 2013 д) Минеральные отходы и расходование органического и минерального азота. Экономия расхода органического азота в почве определяется защитой и снижением скорости разложения еѐ органического вещества. Экономия минерального (внесенного с удобрениями) азота, на наш взгляд, связана с частичным его переходом в макро- и микроагрегаты, что снижает активность окислительновосстановительных процессов, особенно нитрификации и денитрификации микроорганизмами и уменьшает его вынос инфильтрационным стоком, а также выделение в атмосферу молекулярного азота (рис. 2.3). N органический N минеральный Снижение минерализации органического вещества CaSO4*H2O + Me(NO3)m → Ca(NO3)2 + Me(SO4)m + H2O CaSO4*H2O + 2NH4Cl→CaCl2 + (NH4)2SO4+ H2O 2NH3 + CaSO4*H2O → (NH4)2SO4 + CaO Рис. 2.3. Влияние минеральных отходов на динамику азота и органического вещества в сложном компосте Например, компостирование фосфогипса и органических отходов (рис. 2.4) способствует диссоциации сернокислого кальция 50 (CаSO4) и взаимодействию его кислотного остатка (SO4-) с ионом аммония и образованию значительных количеств сульфата аммония (NH4)2SO4. Внесение в почву сложного компоста (органические удобрения + минеральные отходы) позволяет сократить дозу чистого азота под озимую пшеницу до 40 кг/га без ущерба для еѐ урожая и качества (Мельник и др., 2010). Компостирование с полуперепревшим навозом КРС - солома в смеси с почвой, отходы растениеводства (шляпки подсолнечника, отходы сахарной свѐклы и др.) - навоз полуперепревший - фосфогипс, галит, известковая мука - бетонированная площадка Рис. 2.4. Компостирование минеральных и органических отходов Реакция раствора минерального отхода. Кислотность (рН) Белореченского отхода с использованием для его нейтрализации известкового молока составляет около 5,0 и обусловливается действием фосфорнокислой соли кальция природного минерала (Са5(РО4)3F и Са5(РО4)3Cl, а также влиянием остатков серной кислоты (Н2SO4) в технологическом процессе при экстракции из апатита Р2О5. С учетом этой особенности фосфогипс представляет интерес для использования в качестве мелиоранта на засоленных почвах, что заметно влияет не только на рН их среды, но и на урожай сельскохозяйственных культур и его качество (Belyuchenko, 2014 а). Кислая реакция фосфогипса создает благоприятные условия для разрушения таких органических соединений, как ПАВы, углеводороды и другие вещества, что позволяет компостировать его с отходами, содержащими такие вещества, как осадки бытовых стоков, опилки мебельных производств, а также различные виды навоза, птичьего помета и получать качественное безопасное органоми- 51 неральное удобрение (Белюченко, 2009 а; Мельник и др., 2009 а; 2010; Ткаченко и др., 2010; Belyuchenko et al, 2014). Минеральные коллоиды отходов. В фосфогипсе доля минеральных коллоидов сравнительно невысокая (менее 0,5%), но с учетом многолетнего распада этого отхода их доля, по нашим расчетам, сохранится на этом уровне до 6-7 лет, что будет способствовать поддержанию минеральной части коллоидов в почве на значительном уровне, а также защите и снижению скорости разложения еѐ органической части. Внесение фосфогипса в почву увеличивает емкость катионного обмена (табл. 2.4) и тем самым улучшает еѐ плодородие. Таблица 2.4. Емкость катионного обмена Вариант опыта Почва Почва + полуперепревший навоз КРС (50 т/га) Почва + полуперепревший навоз КРС + минеральные отходы (7 т/га) ЕКО, ммоль/100 г 21,00 28,00 33,00 Кальций, сера и другие элементы минеральных отходов. Многие элементы содержатся в фосфогипсе в весьма значительных количествах. Например, свыше 20% приходится на долю кальция и серы (табл. 2.5). Черноземы обыкновенные бедны доступными формами этих элементов. Необходимость серы определяется еѐ участием в повышении качества продукции сельскохозяйственных культур. Кальций является важной составной частью ППК почвы. Он обусловливает прочность структурных элементов, образуемых почвенными коллоидами, снижает активность солей фтора и тяжелых металлов (особенно стронция), а также хлоридов, усиливает устойчивость хлебов к полеганию и т.д. Кроме того, увеличение в ППК почвы содержания кальция положительно сказывается на активизации аммиачного питания растений (Белюченко, 2011 а). Таблица 2.5. Содержание кальция и серы (%) в фосфогипсе Элемент Ca (расчет на элемент) S (расчет на элемент) сухой 30,00 24,30 52 Фосфогипс сырой 25,40 21,00 Влияние минеральных отходов на развитие растений. Улучшение физических свойств почвы и минерального питания комплексом микро- и макроэлементов благоприятствует развитию корневых систем озимой пшеницы и корнеплодов у сахарной свѐклы (рис. 2.5, 2.6). Заметно активируется также развитие боковых почек в зоне кущения у озимой пшеницы и усиливается еѐ побегообразование, что позволяет при совершенствовании технологии применения удобрений снизить норму высева семенного материала до 20%. При соблюдении предлагаемой технологии на каждые 1000 га посевов можно снизить расход семенного материала примерно на 40 тонн (Белюченко, 2008). Минеральные отходы и продуктивная влага в почве. Внесение минеральных отходов усиливает формирование микро- и макроагрегатов в почве, существенно ограничивает активность микроорганизмов, разрушающих органическое вещество, и сохраняет в метровом слое почвы до 110 мм влаги и больше при влагонакоплении на контроле - около 100 мм (табл. 2.6). Увеличение влагонакопления в варианте с фосфогипсом благоприятно сказывается на улучшении условий роста растений, удлинении продолжительности вегетации посевов озимой пшеницы примерно на 10-12 дней и способствует повышению еѐ урожая. А Б Рис. 2.5. Влияние фосфогипса на развитие растений пшеницы: А – без фосфогипса; Б – с фосфогипсом. Рис. 2.6. Влияние фосфогипса на развитие корнеплодов сахарной свеклы: А - без фосфогипса, Б – с фосфогипсом. Таблица 2.6. Влияние фосфогипса на накопление продуктивной влаги в почве Вариант Содержание вла- Диапазон колебания, 53 Уровень Без фосфогипса С фосфогипсом ги, мм 98 112 мм 92-105 107-116 влаги,% 100 112 Фосфогипс по сравнению с почвой характеризуется весьма интенсивным и быстрым влагонакоплением и относительно медленной влагоотдачей (рис. 2.7). Минеральные отходы и микро- и мезофауна почвы. При внесении в почву сложного компоста с минеральными отходами повышается численность дождевых червей и энхитреид – важнейших производителей гумуса, что, на наш взгляд, связано с увеличением в почве органического вещества, продуктивной влаги и более стабильного их содержания в течение вегетационного периода (рис. 2.8). Увеличение численности популяций дождевых червей говорит о благоприятных условиях их питания и развития при внесении в почву органоминеральных компостов с участием фосфогипса (Агафонов, 1999; Белюченко, 2007). Рис. 2.7. Масса испарившейся влаги по неделям При компостировании различных видов органических отходов с минеральными веществами значительно улучшается санитарноэпидемиологическая ситуация с развитием компоста, которая четко проявляется уже через месяц. В процессе взаимодействия минеральных отходов и полуперепревшего навоза формируются макроагрегаты (гранулы), при растворении которых в воде среда становится слабокислой, что негативно сказывается на развитии яиц гельминтов и приводит к их гибели. Например, при компостировании свиного навоза резко снижается численность яиц всех паразитов, а после двух месяцев компостировании сохраняются только отдельные яйца аскарид, которые к пятому месяцу в опытном вари54 анте оставались на уровне 1 на 50 кг массы субстрата, тогда как на контроле их число составило 15 на каждые 10 кг массы. В процессе компостирования яйца паразитов, очевидно, теряют жизнеспособность в связи с мацерацией их оболочки реакционно-подкисленной средой. После пятимесячного компостирования свиного навоза, фосфогипса и органических отходов согласно разработанной технологии, по основным параметрам оценки получаемая органоминеральная смесь относится к пятому классу опасности. Осенью снижается численность популяций мышевидных грызунов В посевах озимой пшеницы осенью снижается численность популяций жужелиц В почве усиливается развитие полезных микроорганизмов и мезофауны 55 Рис. 2.8. Влияние сложного компоста на развитие мезо- и макрофауны в почве Минеральные отходы и мелкие млекопитающие. На полях озимой пшеницы, где в состав сложного компоста входит фосфогипс, численность мышевидных грызунов была заметно ниже, чем на контроле, и в целом эти посевы не требовали серьезной ручной обработки по травлению вредителей. По всей видимости, кислая среда, связанная с наличием серы в фосфогипсе, негативно влияет на работу пищеварительного тракта грызунов. Благодаря медленной растворимости серы и поддержанию кислотности в зоне побегообразования растений пшеницы и на второй год после внесения фосфогипса численность мышевидных грызунов оставалось сравнительно невысокой по сравнению с обычными посевами. Вблизи лесополос число мышиных семей в несколько раз было ниже, чем в середине контрольного поля. Использование минеральных отходов в кормлении животных. Основательная работа в этом направлении проведена коллективом белорусских ученых под руководством доктора сельскохозяйственных наук Н.В. Пилюк (1994, 1996, 1999), которые использовали фосфогипс, галит и другие отходы в качестве источника серы и кальция в рационах животных (коровы, молодняк, быкипроизводители, овцы) при свободном скармливании и в виде белково-витаминно-минеральной добавки. В опытах с добавлением в корм скоту фосфогипса (Белоруссия) получены положительные результаты по переваримости кормов, повышению качества продукции и соотношению мяса и костной ткани и другие. Опыты, проведенные В.В. Гукаловым в ОАО «Заветы Ильича» в Ленинградском районе нашего края, показали, что добавление фосфогипса при силосовании кукурузы исключает присутствие в корме масляной кислоты. Безусловно, нужны более длительные и глубокие исследования применения минеральных отходов в животноводстве. Минеральные отходы – мелиорант для загрязненных нефтью почв. Проведенные исследования показали, что при среднем нефтяном загрязнении сельскохозяйственных земель (до 15-16 л нефти на 1 м2) очистку верхнего слоя почвы можно провести без его 56 вывоза с использованием минеральных отходов и органических удобрений в течение 1 года. Концентрация нефтепродуктов за этот период снижается в 70-80 раз - до 1000 мг/кг и меньше (рис. 2.9). Бесспорно, требуются серьезные производственные и научные испытания, поскольку сама деградация углеводородов в почве и восстановление последней включает ряд биологических, химических и технологических приемов, которые нуждаются в основательном уточнении количественных параметров с учетом плодородия почвы, реакции (рН) еѐ почвенного раствора, содержания гумуса, NPK, порозности, аэрации, количества и качества физической глины и т.д. Минеральные отходы и опасные загрязнители. В ряде минеральных отходов (например, фосфогипс, галиты и другие соединения) содержится ряд элементов, которые требуют мониторинга за их накоплением (фтор, стронций и др.). В черноземе обыкновенном фтор активно вступает в реакции с органическими и органоминеральными соединениями с образованием труднорастворимых фторидов. Что касается стронция, то на большей территории края его дозы в почвах весьма умеренные, а содержание подвижного кальция в почвенном растворе с внесением фосфогипса повышается, потому активность загрязнителя–антагониста заметно блокируется. Следует иметь в виду, что в почвенном биокосном комплексе поведение всех входящих в него веществ существенно меняется, как правило, в сторону снижения их активности по сравнению с их поведением в свободном состоянии. Рис. 2.9. Взаимодействие коллоидных частиц фосфогипса с нефтяными каплями На основании обобщения результатов исследований можно сделать следующие выводы: 57 1. В целом минеральные отходы следует оценивать как многопрофильный мелиорант чернозема обыкновенного, весьма заметно улучшающий физические свойства почвы, благоприятствующий сохранению в ней органического вещества и азота, повышению еѐ влажности и агрегированности. 2. Использование минеральных отходов при компостировании с различными органическими отходами ведет к активному разрушению органических загрязнителей (ПАВы, формальдегиды, углеводороды и т.д.), трансформации формальдегида и разрушению фенолформальдегидных остатков, что способствует получению экологически безопасных и качественных сложных компостов. 3. Кислая реакция минеральных отходов, высокое содержание в нем различных сульфатов, включая кальций и ряд других элементов, дает основание для его использования с целью мелиорации земель при сильном засолении и загрязнении нефтепродуктами. 4. Минеральные отходы, отличаясь многоэлементным составом и высоким содержанием кальция, серы, кремния и других элементов, при компостировании с органическими удобрениями и внесении в почву весьма благоприятно сказываются на развитии растений (особенно злаковых культур) через усиление развития их корневых систем и подземного побегообразования, позволяет существенно снизить норму высева культур сплошного сева. 5. Способность минеральных отходов поддерживать влажность почвы и содержание в ней органического вещества благоприятствует развитию в ней важнейших гумусонакопителей – дождевых червей и энхитреид, а его кислая среда сдерживает развитие популяций мышевидных грызунов. 58 ГЛАВА 3. ОРГАНИЧЕСКИЕ ОТХОДЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ СЛОЖНЫХ КОМПОСТОВ AGGREGATE COMPOSITION OF COMPLEX COMPOSTS Features of the physical, chemical and biological characteristics of organic and mineral dispersion systems which form the basis of complex composts, their structure, colloidal composition and the specifics of the interaction of individual wastes while mixing by way a comprehensive study with taking into account the condition specific aggregate of colloids and their degree of dispersion are considered. В настоящей главе обсуждаются особенности физических, химических и биологических характеристик органических и минеральных дисперсных систем, составляющих основу сложных компостов, а также результаты всестороннего изучения структуры коллоидного состава и специфики взаимодействия отдельных составляющих отходов при их перемешивании с учетом агрегатной специфики коллоидов и степени их дисперсности. Формирование сложных компостов отличается системой расчета их составляющих, динамичной и постоянной изменчивостью – физической и химической. К сожалению, в большинстве видов отходов, составляющих основу сложных компостов, сравнительно мало водорастворимых коллоидных веществ. В целом сложный компост является полидисперсной, полиминеральной, полиорганической, а потому многофазной системой. Раскрыть возможности таких систем можно путем всестороннего изучения основных составляющих с учетом агрегатной специфики коллоидов и степени их дисперсности (Алифиров и др., 2007 б; Белюченко, 2003 а, б; 2007; 2008). Установлены основные закономерности хода обменных реакций в развитии сложного компоста: скорость, эквивалентность и емкость обмена, и в его формировании выделено несколько видов поглотительной способности по аналогии с почвой, основой поглощения которой является илистая фракция с размерами частиц до 5 мк. Тонкое измельчение твердых материалов, разрушение горных пород, отмывание загрязнения с помощью моющих средств и очистка воды основаны на использовании особенностей дисперсных 59 систем, часто встречающихся в быту, природе и на производстве, а их поведение в развитии сложного компоста в целом подчиняется аналогичным законам верхнего слоя почвы (Белюченко и др., 2002; 2004; 2006). Представлен обширный анализ состояния и развития почв как основы органической среды, куда планируется внесение сложных компостов и которая будет испытывать их влияние на определенные изменения физических, химических и биологических реакций, главным образом в верхнем слое почвы. Достаточно подробно будут рассмотрены особенности жидких органических удобрений – на примере свиного навоза. Особый интерес представляют особенности твердого отхода химической промышленности при производстве суперфосфата – фосфогипса, привносящего заметные изменения в состав сложного компоста как в физической, так и в химической характеристике. Остановимся на анализе состава различных отходов, включаемых в сложные компосты. Дисперсные системы органических отходов Почвы образуются при разрушении горных пород в процессе выветривания и почвообразования (выщелачивание, гидролиз и т.д.). Эти процессы приводят к образованию окислов: нерастворимых - типа SiO2, Al2O3, Fe2O3 (точнее, их гидроокисей) и растворимых – типа RO и R2O (R – металл). Состав поглощенных катионов определяет физическое состояние комплекса. Отдельные поглощенные катионы проявляют разную сопротивляемость разрушительному действию воды. Наибольшее влияние на устойчивость оказывают катионы Li+, Na+, NH4+, K+. Вследствие значительной гидратации нерастворимых соединений почвы и дальнейшего взаимодействия в процессе взаимной коагуляции образуются коагели, близкие по свойствам к гелям (Качинский, 1975; Муравьев и др., 2008 б). Коллоидно-химические процессы в развитии сложных компостов определяют в целом многообразие происходящих реакций в существующих видах почв. Из-за значительной гидратации нерастворимых элементов почвы и дальнейшего взаимодействия в процессе взаимной коагуляции образуются структуры, близкие по свойствам к гелям (Фридрихсберг, 1974). Коллоидно-химические процессы определяют все многообразие существующих типов почв. Чернозѐмы степной зоны нашей страны образованы при низкой влажности субстрата (Горбунов, 1967; Качинский, 1975). В этих условиях Ca2+ и Mg2+ не вымываются и, взаимодействуя с гуминовыми кислотами, образуют нерастворимые высокомолекулярные коллоидные частицы - гуматы 60 Ca2+ и Mg2+. В процессе взаимной коагуляции положительно заряженных частиц R2O3 с отрицательно заряженными гуматами и SiO2 возникают структурированные коагели, составляющие основу для образования плодородной почвы. В целом почву можно обозначить как минерально-органическую дисперсную систему (содержание минеральных веществ доходит до 90-98%; органических – от 2 до 10%). Почвы, представляющие собой продукты разрушения горных пород в результате процессов выщелачивания и гидролиза, выветривания и поверхностного стока дождевой воды (90% минеральных соединений), коагулирующие с переработанной микроорганизмами массой растительных и животных остатков и поступающими органическими веществами из космоса (до 10 млн т ежегодно), характеризуются сложностью коллоидного состава, поддерживающего их физико-химическую агрегированность и устойчивость. Перегной, который вносится в почву, на 90% и больше состоит из органических соединений (результат переработки микроорганизмами в основном навоза КРС и свиней) и только 10% приходится на минеральные соединения. Чернозем обыкновенный составлен округлыми, как правило, неправильной формы агрегатами (в диаметре до 2-3 мм), а также мелкими пылеватыми частицами размером менее 0,01 мм. На долю пылевато-песчаных частиц по массе приходится до 72% и на долю агрегированных структур – около 28%. Физический состав субстрата в перегное ближе к почве, но в нем по массе преобладают округлые или округло-вытянутые гранулы (до 79%), а пылеватые частицы составляют по массе до 21%. Состояние изучаемых нами дисперсных систем определяется свойствами их коллоидов, которые являются основой образования более крупных структур с потерей седиментационной устойчивости их частиц, между которыми силы притяжения начинают превышать силы взаимного отталкивания одноименных зарядов, находящихся ниже критического потенциала коагуляции; их золи переходят в коагели с образованием хлопьев, а частицы структурируются в агрегаты. Агрегативная устойчивость определяется как способность системы к сохранению дисперсности и отдельности частиц дисперсной фазы. В почвах, белковых соединениях и многих других субстратах обменный комплекс образуется в результате диссоциации слабых 61 кислот (поликремниевых, гуминовых), характеризующихся прочной связью кислотного остатка с Н+ (водородная связь). Соли таких кислот обычно хорошо диссоциированы. Поэтому Н+ легко вытесняет остальные катионы из внешней обкладки коллоидной мицеллы и в почвах (при рН=6,5) занимает около половины мест в обменном комплексе. Такая же прочная связь присуща и слабокислотным (карбоксильным) высокомолекулярным ионитам органических дисперсных систем перегноя. Чернозѐмы степной зоны средней полосы, изучение которых проводилось нами свыше 15 лет, образованы в условиях умеренной влажности, при которых Ca2+ и Mg2+ не вымываются и, взаимодействуя с гуминовыми кислотами, образуют нерастворимые высокомолекулярные коллоидные частицы (гуматы Ca2+ и Mg2+). При коагуляции положительно заряженных частиц R2O3 с отрицательно заряженными гуматами и SiO2 возникают структурированные коагели, составляющие основу для образования плодородной почвы, которую можно определить как минерально– органическую (доля органических веществ 5-10%) дисперсную систему, в которой содержание минеральных веществ доходит до 9095% (Белюченко, 2009 а). Коллоидные частицы изучаемых нами дисперсных систем почвы вместе с находящимися на их поверхности слоями ионов составляют коллоидные мицеллы, которые в водной среде могут быть отделены друг от друга межмицеллярным раствором. Внутренняя часть мицеллы (ядро) в химическом отношении представляет собой сложный комплекс разного состава и имеет аморфное или кристаллическое строение. У минеральных коллоидов чернозема обыкновенного ядро состоит из алюмомагниевых и других силикатов, кремнекислоты, оксидов железа и алюминия. Минеральные коллоиды чернозема и особенно перегноя весьма устойчивы и сохраняются, по нашим наблюдениям, в течение длительного времени (до трѐх лет и больше). Органические коллоиды состоят главным образом из гуминовых и фульвокислот, протеинов, клетчатки и других сложных веществ, но они менее устойчивы, разрушаются и снова создаются из продуктов разложения отмерших растений и животных. В почвах постоянно происходят изменения количества коллоидов и переход части их из одного состояния в другое. Наиболее быстрое изменение характерно для органических коллоидов. Часть 62 остатков растительности при разложении образует гумус, который имеет коллоидную природу и служит источником обогащения почвы коллоидами. При внесении в почву фосфогипса или органоминеральной смеси (органическое вещество + фосфогипс) в верхнем слое почвы увеличивается число устойчивых коллоидов с последующим образованием гумуса, который активно обогащает почву органоминеральными коллоидами. Под влиянием высушивания почвы, еѐ нагревания, увлажнения, промораживания, изменения реакции среды и других причин еѐ органические и минеральные коллоиды сильно изменяются. Установлено, что высушивание, нагревание и промораживание способствуют переходу почвенных золей в гели. Некоторые органические коллоиды способствуют переходу в золи минеральных коллоидов. Например, при образовании органожелезистых соединений последние могут переноситься водой по почвенному профилю. Изменение в структуре поглощающего комплекса также сказывается на состоянии коллоидов. Так, насыщение поглощающего комплекса натрием способствует образованию золей, распылению почвы, увеличению заряда почвенных коллоидов и их гидратации. Замещение натрия кальцием, наоборот, способствует переходу золей в гели и образованию водопрочных структур. В черноземных почвах в поглощенном состоянии находятся кальций, магний, а иногда натрий и аммоний. В солонцовых почвах всегда присутствуют, кроме кальция и магния, также натрий и калий. Иногда солонцы в верхнем горизонте содержат мало поглощенного натрия, но такие почвы в крае встречаются редко. Внесение фосфогипса, а еще лучше органоминеральной смеси (навоз + фосфогипс) существенно влияет на активность химических веществ: заметно активируются соединения СаО, SО4, Fe2O3, SiO2, MgO и ослабляются позиции натрия. Состав и количество поглощенных катионов сильно влияет на физические и химические свойства почв. Так, кальций и натрий имеют большое значение в структурообразовании. Например, кальций, являясь активным коагулятором, поступает в почву с фосфогипсом, где его содержится до 30%, способствует концентрации почвенных коллоидов и образованию водопрочных структурных агрегатов. Противоположное действие оказывает натрий. Ввиду того, что натрий диссоциирует от поверхности коллоидной частицы в 63 большей степени, чем кальций, то в диффузном слое количество ионов натрия в щелочных почвах оказывается больше, чем кальция, магния и калия. Поглощенный магний при небольшом содержании (до 15% от емкости поглощения) не оказывает неблагоприятного действия на свойства почвы, но если поглощенного магния будет больше, то этот катион может вызывать солонцеватость почв (Горбунов, 1967; Качинский, 1975). Особая роль принадлежит поглощенным водороду и алюминию. Эти катионы влияют на кислотность почвы. Подвижность ионов Н+ и Al3+ почти одинакова, и при избытке Al3+ подавляется обмен двухвалентных катионов, что приводит к ухудшению условий для развития корневых систем растений. В черноземах Н+ нейтрализует реакцию почвенной среды, а Al3+ в некоторых случаях может снизить рН почвы. Поглощенного калия в почве обычно мало, но его избыток, подобно натрию, может вызывать солонцеватость почв (Горбунов, 1967). В небольшом количестве в почвах встречается поглощенный аммоний. Он является важным источником азотного питания для растений. Повышенное содержание в почве аммония иногда указывает на недостаток в почве кислорода, что наблюдается при заболачивании. Аммоний является важной частью некоторых азотных удобрений; он частично переходит в поглощающий комплекс и из почвы водой не вымывается. Для ферментативного восстановления нитратов до нитритов необходим молибден, для превращения нитратов в гипонитрит и гипонитрита в гидроксиламин – медь и железо, а для перехода гидроксиламина в аммиак требуется марганец. Фосфогипс, благодаря содержанию в нем примесей всех микрокомпонентов, в принципе незаменим для пополнения почв молибденом и другими микроэлементами. Цепочка превращений азотистых веществ (аммоний – нитриты – нитраты) отражает особенности обеспечения растений азотом: аммонийные соли лучше усваиваются растениями при нейтральной реакции среды, а нитратные используются растениями в кислой среде. Почвы края редко имеют кислую среду, поэтому основу питания растений составляют аммонийные соли. Аммонийное питание усиливает положительное действие на растения при увеличении в питательном субстрате концентрации Ca, Mg и К. 64 Поглощенные почвенным раствором кальций, магний и оксиды алюминия и железа препятствуют вымыванию из почвы фосфорнокислых солей, так как образуют с фосфат-ионами малорастворимые соединения. Избыток кальция и магния в почвенном поглощающем комплексе и в растворе делает часть фосфатов трудноусвояемыми для растений. Все это следует учитывать при внесении в почву фосфорных удобрений. Растения усваивают питательные вещества, растворенные в форме солей в почвенном растворе, куда они поступают из минералов, разложившихся остатков растений, животных, микроорганизмов, а также в результате внесения в почву минеральных и органических удобрений. В твердой части почвы имеется большой запас минеральных веществ, и лишь небольшая их часть находится в растворе, преимущественно в форме ионов кальция, магния, калия, натрия, аммония, иногда алюминия, железа, водорода и анионов ряда кислот: угольной, серной, азотной, соляной, фосфорной. Внесение в почву фосфогипса (от 3 до 5 т/га) способствует повышению в еѐ составе доли минеральных коллоидных соединений и улучшению еѐ физических и химических свойств. Анионы активно поглощаются субстратом вследствие образования их труднорастворимых осадков с катионами, встречающимися в поглощающем комплексе, – кальцием, алюминием, железом или гидратами полуторных окислов. К этой группе относятся анионы фосфорной кислоты, которые в почвенном растворе могут находиться в форме Н2РО4-, HPO42-, PО43-. Соотношение этих анионов меняется в зависимости от реакции среды (Иваницкий и др., 1990). Наиболее растворимы кислые соли – однозамещенный фосфорнокислый кальций, все соли натрия, аммония и калия. К менее растворимым солям относится двузамещенный фосфорнокислый кальций. Мало растворяются трехзамещенный фосфорнокислый кальций и соли алюминия и железа. Переход более растворимых (кислых) форм фосфорных солей к менее растворимым (основным) следует считать одной из причин поглощения фосфатов. Благодаря образованию нерастворимых или малорастворимых солей фосфор почти не вымывается водой в расположенные глубже горизонты. Усвоение анионов Cl-, NO3-, NO2- активируется в кислой почвенной среде. Осадки сточных вод представляют собой в разной степени переработанные микроорганизмами отходы жизнедеятельности че65 ловека; их состав весьма разнообразен и в значительной степени зависит от типа питания человека, отходов овощей и фруктов и в основном представлен органическими соединениями (в сухой массе до 89%) с участием минеральных веществ (до 10%), а также содержит (около 1%) ПАВы, яйца гельминтов, тяжелые металлы, нефтяные включения и другие образования. Дисперсный состав сточных вод зависит от разной степени раздробления загрязняющих веществ. По степени дисперсности загрязняющие вещества сточных вод делятся на грубодисперсные, нерастворимые коллоидные примеси, растворимые – до молекулярной степени дисперсности и растворимые – до ионной степени дисперсности. Грубодисперсные осадки имеют размер частиц свыше 10 мкм – суспензии, а также эмульсии, нерастворимые в воде. В составе эмульсии находятся частицы другой жидкости, не растворенные в воде. Суспензии представляют собой твердые частицы, также не растворимые в воде; они могут всплывать или выпадать в осадок; общий их объем составляет около 89-90% (Белюченко, 2010 б; Белюченко и др., 2010 д). Нерастворимые коллоидные примеси (0,1-0,001 мкм) – гидрофильные и гидрофобные, включая гидроокиси, кремний, беззольный уголь и др., самопроизвольно не осаждаются, а осаждаются, когда нарушается их агрегатная устойчивость; их объем составляет 5-6%. Растворимые до молекулярной степени дисперсности растворы (частицы < 0,01 мкм), придающие воде окраску, запах, БПК и ХПК обусловлены наличием примесей этой группы; их объем составляет 4-5%. Растворимые до ионной степени дисперсности (< 0,00001 мкм) основания, кислоты и соли кислот извлекают сложными физико-химическими методами; последовательность операции в очистных сооружениях должна соответствовать нарастанию дисперсности; их объем занимает 1-2%. Осадки сточных вод классифицируют по агрегатному состоянию (газообразные, жидкие, твердые и пастообразные); химическому составу (органические и неорганические); происхождению (бытовые, промышленные и сельскохозяйственные); утилизируемые как вторичные материальные ресурсы, пригодные к использованию на этом этапе развития научных технологий, и неутилизируемые – отбросы; по токсическому действию – 66 опасные и неопасные вещества. ОСВ в целом оценивается как органическая дисперсная система (Белюченко, 2007; 2008). Дефекат является основным отходом свекловичного производства и представляет собой фильтрационный осадок. Его состав определяется количеством несахаров в свекловичном соке, а также извести, используемой по технологии для его очистки. Содержит углекислую и едкую известь, азотистые вещества, сахара, безазотистые органические соединения, около 0,3-0,5% азота и минеральные соли, включая 0,5-1,0% Р2О5. Наиболее доступный способ использования дефеката – это его утилизация в качестве органического удобрения. Дефекат насыщает почву ионами кальция, недостаток которого особенно ощущается на кислых почвах, а также после выращивания сахарной свѐклы (Белюченко и др., 2010 а). Кальций является поглощающим катионом, придающим почвам структуру, наиболее прочную и благоприятную в сельскохозяйственном отношении. Кальций – единственный катион, который может насыщать почву без всякого вреда для растений, является основным компонентом почвенного поглощающего комплекса, и на его долю приходится от 40 до 75% катионообменной емкости дефеката. С учетом высокого содержания обменного кальция дефекат обладает хорошей агрономической структурой, физическими и физико-биологическими свойствами, которые при внесении в почву способствуют повышению еѐ плодородия. В процессе переработки сахарной свеклы дефекат поступает на хранение с содержанием воды 50%, обычно подсыхает 1-2 года, а затем используется для известкования кислых почв. Дефекат оценивается как минерально-органическая дисперсная система (содержание органических веществ до 8%; минеральных – до 92%). Древесные опилки представляют собой дробленую древесину, отличающуюся повышенным содержанием лигнина; оценивается как органическая дисперсная система, включающая 10-15% минеральных и 85-90% органических соединений. Перегной включает переработанные микроорганизмами отходы животноводства – навоз крупного рогатого скота и свиней, а также остатков растениеводческой продукции и представлен в основном органическими соединениями (до 90% и больше в сухой массе) с небольшим участием минеральных веществ, на долю которых приходится до 10%. Перегной (гумус – земля, почва; сложный 67 комплекс весьма устойчивых органических и минеральных темноокрашенных соединений) сформировался в силу биологических и биохимических преобразований остатков растительных и животных организмов (распада и синтеза новых соединений). В перегное сохраняются важнейшие элементы питания растений: углерод, азот, фосфор, сера, кальций и некоторые другие; под влиянием микроорганизмов такие элементы питания становятся доступными для растений (Белюченко, 2011 б; Белюченко, Славгородская, 2011). Перегной активно воздействует на минеральную часть почвы, способствует освобождению элементов питания растений, поглощает и удерживает в почве кальций, магний и другие химические элементы, связывает минеральные части субстрата в комочки, обеспечивая создание водоустойчивой структуры; составляет основу почвообразования через процессы накопления, передвижения и разложения органических веществ. Содержание перегноя, как и его запасы в почвах сильно колеблются (табл. 3.1). В целом перегной можно оценить как высокодисперсную органическую систему. Таблица 3.1. Содержание перегноя в почвах Почвы Почвы лесостепной зоны Черноземы выщелоченные Черноземы мощные Черноземы обыкновенные Черноземы южные Темно-каштановые почвы Сероземы Содержание перегноя (%) 2-8 6-7 8-12 7-8 4-6 4-5 1-4 Запас перегноя (т/га) 215 549 709 426 312 229 83 Торф – органогенное полезное ископаемое, представляющее скопление подвергшихся неполному разложению отмерших растений в условиях болот. Разложение торфа связано с глубиной процесса распада и гумификации растительных тканей, а также особенностями растений-торфообразователей. Торфообразование в основном проходит в верхнем слое растительных остатков. Химический состав зависит от состава растений–торфообразователей и уровня их разложения. Торф содержит битуминозные вещества, углеводы (целлюлоза и легко гидролизуемые лигнины), гуминовые кислоты, 68 образующиеся в процессе разрушения углеводов; содержит азота при верхнем типе формирования 2-4, а при низинном – 6-18%. Используется на удобрение, на подстилку животным и птице, на мульчирование почвы, входит в состав смеси для приготовления торфоперегнойных горшочков. Из наиболее богатых азотом, фосфором и калием низинных торфов изготавливают мелкую крошку. Для обогащения легко усвояемыми для растений питательными веществами торф компостируют с навозом, осадками сточных вод, минеральными удобрениями. Сфагновый мох, обладающий высокой влагоемкостью и газопоглотительной способностью, используется на подстилку животным; суточная норма торфяной подстилки на одну голову для коров – 5-6 кг, свиней – 2,5-3,0, лошадей – 4,5 кг. Торфяные кислоты образуются при компостировании торфа в смеси с навозом, навозной жижей, фекалиями с добавлением золы, извести, фосфорной муки. При компостировании усиливается положительное действие торфа и других компонентов компоста на плодородие почвы. При внесении в почву или в состав сложного компоста торф используется в тех же дозах, что и навоз. Рассматривается как органическая дисперсная система. Сапропель (грязь, по-гречески – глинистый ил) – органические илы, коллоидальные отложения континентальных водоемов, содержащие большое количество органического вещества и остатков водных организмов в сочетании с некоторыми количествами неорганических компонентов. Сапропель имеет оливковый цвет, бурый, иногда чѐрный, при наличии известковистых и глинистых примесей – серый, розовый, желтоватый. Сапропель отличается биологическим происхождением и формируется на дне пресноводных водоемов в результате естественных процессов бактериального разложения растительных и животных продуктов при малом доступе кислорода. Он обладает хорошей пластичностью, вязкостью, липкостью, адсорбционными свойствами; отличается многоцветностью окраски – от коричневой, темно-оливковой, зеленоватой, голубоватой до розовой и красноватой, экологически чист и богат органическими и минеральными веществами. В любом озере находится 2-3 вида сапропеля, и его состав зависит от глубины залегания, удаленности от берега и окружения озера. 69 В естественном состоянии сапропель представляет студенистую, пастообразную массу с содержанием воды 70-75%, без вкуса и запаха. Образование сапропеля началось в раннем голоцене после ухода талых ледниковых вод. Сапропель богат азотом (свыше 24%), органическим веществом (от 55 до 75%), зольными элементами (от 25 до 35%); много фосфора (от 1 до 1,5%), оксида кальция (2– 4%). В нем содержится большое количество марганца (около 300 мг/кг), цинка (35 мг/кг), 14 аминокислот (лизин, аргинин, серин, валин, лейцин, аланин, изолейцин и др.), а также глутаминовая и аспарагиновая кислоты (до 1% на сухое вещество) и 5 витаминов, среди которых содержание витамина А составляет 36 мг/кг. Рассматривается как органическая дисперсная система. Сапропелиты (сапропелевые угли) – твердые горючие ископаемые из группы каустобиолитов, образовавшиеся отвердеванием (уплотнением) разложившихся остатков (в основном водорослевый планктон). Сапропелиты образованы бесструктурным коллоидным веществом сапропелевого типа. Глинистые разновидности сапропелевых углей имеют слоистое сложение и рассматриваются как органическая дисперсная система. Навоз – твердые и жидкие экскременты животных в смеси с подстилкой (солома, торф); полное удобрение, содержит N и все элементы зольной пищи. В 1 т полуперепревшего навоза содержится 5 кг N, 2,5 Р2О5 и 6 кг К2О. В состав навоза входит органическое вещество, внесение которого улучшает физические и химические свойства почвы, развитие почвенных микроорганизмов (Мельник и др., 2009 б; Ткаченко и др., 2010; Белюченко, 2011в; Белюченко, Славгородская, 2011). Количество и качество навоза зависит от вида животных, их кормления и подстилки. Навоз конский и овечий содержат меньше влаги и больше N и К2О, чем навоз КРС и свиней. Эффективность навоза зависит от способов его приготовления, хранения и внесения в почву. В хорошо уплотненных штабелях в навозохранилище азота теряется меньше, чем в бесформенных кучах. По степени разложения различают свежий навоз, полуперепревший, перепревший и перегной. В свежем навозе подстилка остается еще прочной, на удобрение его можно использовать в компосте. Полуперепревший навоз теряет до 20-30% общей массы, подстилка в нем сохраняет форму, в таком состоянии его вносят под озимые или под зябь. Перепревший навоз представляет однородную 70 темную массу, потеря органических веществ доходит до 50%. Перегной - рыхлая, черная, землистая масса. Количество перегноя составляет 25% от навоза свежего. Применяется для подкормки растений, в приготовлении торфоперегнойных горшочков, органоминеральных, гранулированных удобрений и смесей. Рассматривается как органическая дисперсная система (Белюченко, 2012 а). Навозная жижа – быстродействующее азотно-калийное удобрение, состоящее из жидких выделений животных и продуктов разложения навоза КРС. Содержание азота от 0,02 до 0,8%, окиси калия – от 0,5 до 1,0%. Используется для полива сразу после приготовления, а также орошения сельскохозяйственных культур. Рассматривается как жидкая органическая дисперсная система. Жидкий навоз свиней содержит 3-8% сухого вещества; в навозных стоках сухого вещества меньше 3%. Жидкий навоз имеет влажность 25–30%, что затрудняет его использование и переработку, увеличивает объем стоков. Свиной навоз включает кал, мочу, технологическую воду, безвозвратные потери корма, подстилку, физиологические выделения животных – щетина, эпидермис и др. Состав свиного навоза различен и включает органические (жиры, белки, углеводы) и минеральные вещества (вода, соли, глина, песок, газ), биологические структуры (микроорганизмы, в т.ч. бактерии, вирусы; яйца гельминтов, семена сорных растений), газы, включая O2, H2S, NH3, CO2, а также воду – свободную и связанную (Белюченко, Славгородская, 2011). Жиры, белки, углеводы обладают энергетической ценностью, разлагаются анаэробными микроорганизмами с выделением биогаза, содержат биогенные вещества и микроэлементы. Навоз содержит большие количества микроорганизмов, включая патогенные и условно патогенные, семена сорняков, выделяет вредные и дурно пахнущие вещества. Чтобы использовать для почвы, его необходимо подготавливать, поскольку свежий свиной навоз может быть источником распространения дурного запаха, загрязнения окружающей среды и почвы вредными гельминтами и семенами сорняков. Физически жидкий свиной навоз – это трехфазная суспензия, состоит из твердой, жидкой и газообразной фаз. Дисперсная (жидкая) фаза включает растворы: 1) минеральных солей, кислот, щелочей, 2) растворы органических соединений, 3) растворимые газы, 4) биологические структуры. Дисперсная (твердая) фаза включает: 1) 71 нерастворимые органические вещества, 2) нерастворимые минеральные вещества, 3) биологические образования. Количество газа относительно незначительное, и свиной навоз можно представить как двухфазную систему. Дисперсионной средой является водный раствор минеральных солей, кислот, щелочей, низкомолекулярных соединений, входящих в состав экскрементов, и нерастворимых органических включений с очень малой гидравлической крупностью; дисперсная фаза – твердые частицы экскрементов, частицы корма, крупнодисперсные нерастворимые органические примеси, минеральные нерастворимые включения; биологические структуры находятся в жидкой и твердой фазах. Твердые частицы и нерастворимые примеси (диаметр > 0,1 мм) в жидком свином навозе находятся в грубодисперсном (крупные взвеси) и тонкодисперсном (суспензии, эмульсии, пена) состоянии, частицы диаметром от 0,1 мм до 0,1 мкм и находятся в виде коллоидов (диаметр 0,1–0,001 мкм). Растворимые соли и низкомолекулярные органические соединения находятся в молекулярнодисперсном состоянии (диаметр <0,001 мкм) и представляют истинный раствор; они не осаждаются из-за малого размера частиц и остаются во взвешенном состоянии. Свойства жидкого свиного навоза делятся на физические, химические, биологические и коррозионные. Физические свойства – общефизические (плотность, удельный вес, удельный объем, влажность), механические (гранулометрический состав), реологические (вязкость, коэффициент поверхностного натяжения, модуль упругости, предельное напряжение сдвига, гидравлическая крупность), органолептические (цвет, запах, вкус), теплотехнические (температура, удельная теплоемкость, удельная теплопроводность), электрические (электропроводность) (Письменов, 1984). Важным показателем состояния жидкого свиного навоза, влияющим на другие свойства, является влажность, которая зависит от системы удаления навоза. Влажность навоза при механическом содержании составляет 80-90%, при бесподстилочном – 90-95, при самотеке – около 96, при гидросмыве – 95-98%. При разбавлении водой физически навоз приобретает свойства жидкости. Плотность навоза при влажности 92–99% колеблется от 1019 до 1003 кг/м3 (Андреев и др., 1990). 72 Гранулометрический состав жидкого свиного навоза неоднороден, зависит от половозрастной группы, рациона и способа кормления. При кормлении концентрированными кормами содержание частиц размером от 0,25-1,00 мм составляет 64%, более 1 мм – 36%. При кормлении многокомпонентными микросмесями – соответственно 42 и 58%. Реология характеризует текучесть, определяется вязкостью и напряжением сдвига. Именно текучесть определяет способ удаления, транспортировки и внесения навоза. Попадающие в навоз корма ухудшают его текучесть. Снижение вязкости по мере разбавления водой и повышения температуры является важной причиной изменения скорости расслоения и ведет к образованию осадочного и плавающего слоев с высоким содержанием твердых частиц. Сухое вещество жидкого свиного навоза состоит из органической части (85-75%) и неорганической (15-25%). Органическое вещество включает основные (белки, жиры, углеводы) и структурные вещества (целлюлоза, лигнин, клетчатка, гемицеллюлоза), микроэлементы (Mn, Cu, Cd), биогены (N, P, K). Свиной навоз содержит 50-70% растворимого азота, хорошо усвояемого растениями. Азотсодержащие соединения в навозе представлены в твердом, растворимом и коллоидном состояниях и способны переходить из одной фазы в другую. Доминирует в навозе аммонийная форма. Аммиак образуется в анаэробных условиях в процессе биологической деградации белковых форм и разложения мочевины. Содержащийся в жидком навозе фосфор органических соединений растениями используется лучше, чем фосфор минеральных удобрений. Калий в навозе представлен только растворимой формой в составе солей во взвесях и коллоидных частицах и потому легко усваивается. Растворимость питательных веществ жидкого свиного навоза повышенная. Биологические особенности жидкого свиного навоза зависят от содержания бактериальных и грибных включений (бактерии, грибы, актиномицеты, одноклеточные водоросли, вирусы), яиц гельминтов, семян сорняков, которые представляют экологическую и агротехническую опасность. Количество биологических особей в исходном навозе достигает 7,1·108 шт./мл, яиц гельминтов – 3-4 шт./л, семян сорняков – около 10 шт./л. Коррозионные свойства жидкого свиного навоза определяются содержанием коррозионноактивных веществ (углекислота, рас73 творимая известь, аммонийный азот, сульфатная и сульфитная сера, хлориды), среди которых большую роль отводят влажности навоза и внешним условиям (продолжительность воздействия, температура, доступ кислорода и др.). Жидкий свиной навоз обладает энергетической и удобрительной ценностью благодаря наличию в нем минеральных, органических и биогенных веществ; способен вызвать биозагрязнение окружающей среды, засорение почвы, поэтому требует хорошей предварительной обработки. Минеральные и органические вещества в жидкой и твердой фазах находятся в разных формах (легко и трудноразлагаемые), и для повышения эффективности навоза требуется раздельная переработка фаз. Большие объемы жидкого навоза, отличающегося большой текучестью и растворимостью по сравнению с твердой частью, при внесении в почву могут быть причиной загрязнения окружающей среды. При использовании гидросмыва для удаления навоза на свиноводческих комплексах образуется большое количество высококонцентрированных сточных вод, которые характеризуются значительным содержанием органических загрязнений, аммонийного азота, патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов. Режим водоотведения на свиноводческих комплексах отличается крайней неравномерностью. Объем сточных вод, имеющих большую агрономическую ценность, варьирует в широких пределах (от 35 до 60 л/гол•сут). Навозные стоки представляют собой сложную дисперсную систему, компоненты которой находятся в грубодисперсном, коллоидном и растворенном состояниях. ХПК стоков колеблется в пределах 7600-40000 мл О2/дм3, взвешенные вещества составляет 800039600 мг/дм3, аммонийный азот – 48-1430, фосфаты 430-900, мочевина 1500-7200 мл/дм3, число яиц гельминтов колеблется от 100 экз./дм3 и выше. Гранулометрический состав стока неоднороден и зависит от вида применяемых кормов, способов удаления и транспортировки. При этом взвеси с размером частиц до 1 мм из стоков удаляются трудно и составляют 35-60%. Для очистки стока используют совместно механические, физико-химические и биологические методы, причем последние нуждаются в аэробных условиях (аэротенки). 74 Концентрация азота в жидком навозе составляет в среднем 250-400 мл/дм3, но доочистка требует больших затрат, поэтому содержание азота остаѐтся не всегда допустимым для сброса в водоем. Кроме того, процессы нитри- и денитрификации безвозвратно удаляют азот в атмосферу, снижая агрономическую ценность таких вод. Предлагаемая нами технологическая схема предусматривает очистку стоков с использованием фосфогипса и перегноя и позволяет после отстаивания в течение 1,5-2,0 часов снизить концентрацию аммонийного азота и фосфатов в среднем на 50%, а остаточную концентрацию взвешенных веществ удержать на уровне 20-30 мг/л. Жидкая часть отхода может быть очищена в значительной степени от органических отходов, а также от гельминтов. Удаление органических отходов и азота положительно сказывается на последующей биологической очистке осадка, после которой навоз будет представлять комплексное органоминеральное удобрение, годное впоследствии к использованию. Очищенную сточную воду можно повторно использовать для гидросмыва навоза, поскольку концентрация в ней загрязнений не превышает по БПК 10-12 мг О2/л; по азоту аммонийному – 0,5-2,0 мг/л; фосфору – 1,5-2,0 мг/л; взвешенным веществам – 10-12 мг/л. Предлагаемая система очистки может быть замкнутой и использоваться повторно для гидросмыва. Жидкий свиной навоз рассматривается как органическая дисперсная система. Прокисшие молочные продукты в основном относятся к дисперсным системам, состоящим из двух и более фаз: одна сплошная – дисперсионная среда, а другая, распределенная в виде отдельных частиц в дисперсионной среде, – дисперсная фаза. Молочные продукты – сложная полидисперсная система; дисперсные фазы находятся в ионно-молекулярном состоянии (фаза истинного раствора), в виде коллоидных (коллоидная фаза) и грубодисперсных частиц различной величины (фаза эмульсии). Провести строгую границу между дисперсными фазами и дисперсионной средой молока нельзя, поскольку водные растворы одних веществ являются дисперсионной средой для других. В коллоидно-дисперсном состоянии в прокисшем молоке находятся сывороточные белки, казеин и основная часть соединений – кальций. Прокисшее молоко – типичная природная эмульсия жира в 75 воде. В оболочке шариков жира помимо белков и липидов находятся следующие элементы: Cu, Fe, Mo, Zn, Ca, Mg, Se, Na, K – от 5 до 25% и нативное железо – от 28 до 59%, содержание Cu в 1 г оболочки составляет от 5 до 25 мкг, Fe – от 70 до 150 мкг. Фосфаты кальция отличаются малой растворимостью и незначительной степенью диссоциации, небольшая их часть находится в виде истинного раствора, а основная – в виде коллоидного раствора. Между ними устанавливается равновесие. Сдвиг равновесия зависит от рН молока, температуры и других факторов. Рассматривается как органическая дисперсная система. Слеудет подчеркнуть, что отходы производства и потребления являются дисперсными и коллоидными системами, которые заметно различаются коллоидным состоянием, составом, коагуляционными и седиментационными свойствами, что обусловлено их физическими и химическими особенностями. Важное значение имеет минеральный состав и прежде всего соотношение между минеральными фракциями гранулометрического состава сложных компостов из монтмориллонита и гидрослюд, с одной стороны, и каолинита, с другой, различающихся дисперсностью и поглотительной способностью. Из всех составляющих сложного компоста многие металлы сорбируются тяжелыми гранулометрическими фракциями (Муравьев и др., 2008 г). Сорбция тяжелых металлов снижается при щелочной и слабощелочной реакции сложного компоста, и эти загрязнители переходят в слаборастворимые вещества и мало поступают в растения, а также в грунтовые воды. Основными соединениями, связывающими тяжелые металлы, являются силикаты, оксиды, гидроксиды, многие соли. Переходу тяжелых металлов в слаборастворимые соединения способствует удобрение верхнего слоя почвы сложным компостом с содержанием органического вещества до 10% и больше и высоким уровнем органических и минеральных коллоидов; высокая емкость катионного обмена усиливает связывание тяжелых металлов; дренирование территории способствует окислению тяжелых металлов, ослаблению их миграции и использования растениями. Сорбционные свойства минеральной части почвы обусловлены в основном глинистой фракцией, где господствуют каолиниты и вермикулиты. Их способность присоединять катионы тяжелых ме76 таллов свойственны монтмориллониту и вермикулиту. Ряд металлов осаждается с карбонатами, а также сорбируется на оксидах железа и марганца. С карбонатами легко осаждаются Mn, Cd, Co, Cu, Ni, Pb, Zn. В составе фосфатов, включая фосфогипс, много тяжелых металлов: Cu, Zn, Pb, Mn, Cd, Ni. Минеральные отходы представляют собой дисперсную систему, не образующую устойчивые коллоиды, поскольку их нерастворимые элементы гидратируются очень мало, не инициируют взаимной коагуляции или седиментации и структурные агрегаты не образуют. Органические отходы, переработанные микроорганизмами, представляют дисперсную систему, где в силу высокой еѐ гидратации в процессе взаимной коагуляции органических и минеральных коллоидов формируются гелеобразные структуры, являющиеся носителями увлажнения и плодородия. Совмещение дисперсных систем различных отходов со своими специфическими коагуляционными свойствами, дополняющими друг друга и создающими весьма устойчивые агрегаты, заметно улучшает физические (аэрация, инфильтрация и др.), химические (обогащение органическими веществами, Са, S, Si и микроэлементами) и биологические (увеличение количества и численности популяций бактерий, грибов, актиномицетов и одноклеточных водорослей) свойства почвы (Белюченко, 2013 в). Органические вещества способствуют накоплению тяжелых металлов; фульвокислоты образуют комплексные соединения – фульваты тяжелых металлов (Горбунов, 1967; Муравьев, Белюченко, 2006; Белюченко и др., 2013 а). Таким образом, почва, обогащенная с внесением сложного компоста органическими и минеральными коллоидными системами, отличается взаимной коагуляцией и седиментацией положительно заряженных частиц с отрицательно заряженными гуматами и кремнием, на основе которых формируются структурируемые коагели, составляющие основу еѐ плодородия. Рациональное использование отходов основных направлений производства и потребления будет способствовать высвобождению земельных территорий и практической выгоде при их использовании под посевы сельскохозяйственных культур. Создание сложных компостов с включением бытовых, сельскохозяйственных и промышленных отходов на основе варьирования их типов и соотношений определяет специфику дисперсности и коллоидальных характеристик химического и биологического 77 многообразия, расширяет экологические ниши и существенно корректирует агрономическое качество верхнего слоя почвы в течение 5-6 лет. 78 ГЛАВА 4. КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ ОТХОДОВ И ИХ РОЛЬ В ФОРМИРОВАНИИ СЛОЖНЫХ КОМПОСТОВ COLLOIDAL SYSTEMS OF WASTES OF DIFFERENT PRODUCTION AND THEIR ROLE IN THE FORMATION OF COMPLEX COMPOSTS Dispersed colloidal particles pertaining to positive colloids is played important role in the process of the interaction of organic wastes (sewage sludge, defecation mud, chicken manure, etc.) with various wastes of mineral raw materials (phosphogypsum, lime powder, halite, etc.). В процессе взаимодействия органических отходов (осадки сточных вод, дефекат, куриный помет и другие) с различными отходами минерального сырья (фосфогипс, известковая мука, галиты и т.д.) важную роль играют коллоидально распыленные частички с различными зарядами (Belyuchenko, 2014 а). Дисперсные системы различных отходов (природных, производственных, бытовых), используемых для создания сложных компостов, состоят из комплекса компонентов, один из которых представляет дисперсионную среду, а другие – дисперсные фазы, диспергированные в дисперсионной среде. Если дисперсная фаза какого-либо отхода представлена отдельными молекулами и ионами, то дисперсная система гомогенная, а если она представлена крупными агрегатами (до 0,1 мм), тогда система гетерогенная и отделена от дисперсионной среды условной фазовой границей (Алифиров и др., 2007 б). Коллоидные вещества сложного компоста обладают значительной степенью дисперсности и большой удельной поверхностью, а также наибольшей поверхностной энергией, и потому в сравнении с коллоидами в состоянии геля они будут весьма активными. Однако определить количество наиболее эффективной части сложного компоста пока недегко: с одной стороны, сложны методы определения концентрации различных веществ в сложном компосте, 79 а с другой – отсутствуют эффективные методы выделения коллоидов. Предпочтительный способ выделения коллоидных веществ из водных вытяжек сложного компоста, которым пользовались и мы, основан на гидролизе солей с использованием гумусной кислоты и солей алюминия, образующих коллоиды при их гидролитической диссоциации (Белюченко, 2013 г). Применяемый метод позволяет вести диализ при постоянном токе воды. Количество минеральных коллоидных веществ на 1 кг природной почвы составляет около 0,1 г, а на пашне чернозема обыкновенного – 0,07-0,08 г; органических коллоидов в почве – около 0,4 и на пашне – 0,3 г; основная часть (на пашне рассчитанное соотношение органических и минеральных коллоидов составило 4-5:1) приходится на органические коллоиды (Белюченко, 2013 г). Минеральные коллоиды при диализе поглощаются органическими. Минеральная часть проанализированной вытяжки сложного компоста представлена в основном кремнекислотой, окисью алюминия и окисью железа (SiO2 + AI2O3 + Fe2O3 = 0,4 г/кг) в расчете на 1 кг почвы: SiO2 – 0,05; AI2O3 – 0,25; Fe2O3 – 0,25 г/кг. В наших опытах доля минеральных коллоидов в сложном компосте составила: SiO2 – 0,1, AI2O3 – 0,2, Fe2O3 – 0,5 г/кг, органических – 3,3 г/кг (0,8 к 3,3) при соотношении 1:4,25. Органические и минеральные коллоидные вещества играют важную роль в функционировании почвы при внесении в неѐ сложного компоста, но их функция в основном осуществляется в верхнем слое субстрата. Большой научный и практический интерес представляет собой изучение физико-химических особенностей таких дисперсных систем, как сложный компост, почва, перегной, осадки сточных вод, дефекат, древесные опилки, фосфогипс, галит, зола и другие отходы, состав и развитие которых во времени проходит по-разному. Поскольку физические основы отходов различаются по своему происхождению и продолжительности формирования, то и их химические и биологические свойства варьируют весьма заметно. Анализируя дисперсные системы и состав коллоидов в отходах быта, природы и производства, можно подчеркнуть их важную роль в развитии региональных экосистем, а также повседневной жизни населения с учетом их интересов. Объективно наша Земля не может существовать без воды и воздуха, горных пород и минералов 80 и многих других дисперсных образований. Остановимся на краткой характеристике основных формирований (Белюченко, 2005 а, б; Белюченко, Муравьев, 2009) большого многообразия дисперсных систем различных отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства (взвеси, эмульсии, суспензии, аэрозоли, золи, гели, истинные растворы). Взвеси представляют собой дисперсные системы отходов с размером частиц более 100 нм, которые можно оценивать уже невооруженным глазом; их дисперсная фаза и дисперсионная среда легко разделяются отстаиванием. В числе взвесей выделяют: эмульсии (нерастворимые друг в друге жидкости) – молоко, водоэмульсионные краски и т. д.; суспензии (среда – жидкость, фаза – нерастворимое в ней твердое вещество) – строительные растворы («известковое молоко» для побелки), взвешенный в воде речной и морской ил, планктон – живая взвесь микроскопических живых организмов в морской воде, которыми питаются рыбы; аэрозоли – взвеси в газе, воздухе мелких частиц жидкостей или твердых веществ, включая пыли, дымы, туманы (Муравьев, Белюченко, 2008 а). Аэрозоли играют важную роль в природе, быту и производственной деятельности человека. Скопления облаков, обработка полей химикатами, нанесение лакокрасочных покрытий при помощи пульверизатора, распыление топлива, выработка сухих молочных продуктов, лечение ингаляцией дыхательных путей – примеры тех явлений и процессов, где аэрозоли имеют важное значение. Аэрозоли в виде туманов над морем, вблизи водопадов и фонтанов доставляют людям удовольствие и украшают жизнь. Аэрозоли типа пыли и дыма представляют собой взвеси твердых частиц в газе (более крупные частицы у пыли), в тумане – взвеси мелких капелек жидкости в газе. Природные аэрозоли, включая туман и грозовые тучи, представляют взвесь в воздухе капелек воды, а в дыме – твердых мелких частиц. Смог, висящий над крупнейшими городами мира, представляет собой аэрозоль с твердой и жидкой дисперсными фазами. Население вблизи цементных заводов страдает от всегда висящей в воздухе тонкой цементной пыли, образующейся при размоле цементного сырья и продуктов его обжига – клинкера и др. Вредные пылевые аэрозоли имеются также в городах с металлургическими производствами: дым заводских труб, смоги. Капельки слюны, вы81 летающие изо рта больного гриппом человека, являются вредными и инфекционно опасными аэрозолями (Гедройц, 1955; Белюченко, Муравьев, 2009). Большое значение для жизни человека имеют дисперсные системы, в которых дисперсионной средой является вода и жидкие растворы. Природная вода всегда содержит растворенные вещества, которые активно участвуют в процессах почвообразования и снабжают растения питательными веществами. Сложные процессы в организмах человека и животных всегда протекают в растворах. Многие технологические процессы в химической и других отраслях промышленности (например, получение кислот, металлов, бумаги, удобрений и других продуктов) происходят в основном в растворах различных соединений, которые представляют собой тонкодисперсные системы, где дисперсная фаза и дисперсионная среда через отстаивание разделяются с большим трудом, и их подразделяют на золи (коллоидные растворы) и гели (студни). Золи представляют собой коллоидные растворы, хорошо представленные жидкостями живой клетки (цитоплазма, ядерный сок – кариоплазма, содержимое органоидов и вакуолей) и живого организма в целом (кровь, лимфа, тканевая жидкость, пищеварительные соки, гуморальные жидкости и т. д.), содержащие набухающие полисахариды, белки, жиры и другие полимеры. Например, в сложном компосте можно получить коллоидный раствор кремниевой кислоты в результате химических реакций взаимодействия, отходов, содержащих растворы силикатов калия или натрия («растворимого стекла»), с раствором кремниевой кислоты. Золь образуется также в процессе гидролиза хлорида железа в горячей воде. Внешне коллоидные образования в сложном компосте напоминают истинные растворы, но они обычно не оседают даже при длительном хранении и не слипаются при сближении друг с другом из-за наличия на их поверхности одноименных электрических зарядов (Белюченко, 2006; Муравьев и др., 2008 г). При благоприятных условиях (высокая температура, умеренная влажность) в сложном компосте может происходить коагуляция, для которой характерна нейтрализация зарядов частиц, когда в коллоидный раствор поступает дополнительное вещество в виде электролита и он превращается в гель или даже в суспензию. Некоторые органические коллоиды в составе осадков сточных вод коагулируют при на82 гревании (например, белковые соединения) или при изменении кислотно-щелочной среды раствора (например, с усилением щелочности). Гели в сложном компосте с повышенной дозой полуперепревшего навоза КРС, свиней, куриного помѐта, осадков сточных вод и других органических отходов в случае коагуляции золей представляют собой студенистые осадки. В эту группу можно отнести желатинообразные формирования различных животных отходов, включая мышечную ткань и другие структуры и вещества. История развития коллоидного состояния различных веществ на Земле сравнима с историей эволюции жизни (Муравьев, Белюченко, 2008 а). Истинные растворы в сложном компосте представляют собой многофазную гетерогенную систему, состоящую из большого числа компонентов, представленных газом, жидкостью или твердым веществом, обусловленную размещением ряда веществ в массе других в виде молекул, атомов, ионов с размером частиц менее 1 нм. Растворителем считается вещество, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора, – в основном это вода. Если раствор образовался при смешении газа с газом, жидкости с жидкостью или твердого вещества с твердым, растворителем считается компонент, которого больше всего в растворе. Например, воздух – растворитель кислорода и других газов, а азот – растворитель углекислого газа. Выделяют растворы молекулярные – водные растворы органических веществ: спиртов, глюкозы и т. д.; молекулярноионные – растворы слабых электролитов: азотистой, сероводородной кислот и др.; ионные – растворы сильных электролитов (щелочей, солей, кислот: NaOH, K2SО4, HNО3, НСIО4). Коллоидно-дисперсные системы отдельных веществ в сложном компосте формируются различными комбинациями дисперсионной среды (обычно вода) и дисперсной фазы (твердые органические и минеральные вещества), имеющей важное значение. Их особые свойства обусловлены мелкими размерами различных веществ и большой удельной поверхностью коллоидных частиц (Белюченко, 2003 а; 2013 в). Твердые природные вещества (фосфогипс, галиты, сильвиниты и др.) характеризуются определенной кристаллохимической структурой, а их ионы, атомы и группы атомов внутри вещества находятся в равновесном состоянии. При их измельчении 83 удельная поверхность возрастает и значительно повышается эффект воздействия поверхностных ионов (Белюченко, 2006; 2010 к). Структура коллоидов сложных компостов комплексная, поскольку кристаллохимическое строение тонкодисперсных минералов (например, мел, фосфогипс, галит и др.) и поглощение ионов различной валентности отличаются определенной спецификой. Частицы одного вещества (например, фосфогипса), попадающие в коллоидный раствор, обладают одинаковым зарядом и потому отталкиваются друг от друга. При создании условий для взаимного притяжения частиц образуются агрегаты из нескольких частиц (например, органические коллоиды навоза и минеральные коллоиды фосфогипса) и веществ, которые в состоянии коллоидного раствора выпадают в виде рыхлого осадка (геля). Гели широко распространены в природе, особенно в почве и в сложном компосте, и с ними связаны многие свойства. В силу высокой дисперсности гели поглощают из раствора ионы различных элементов, зачастую не образуя при этом устойчивых химических соединений (Belyuchenko, 2014 б). На поверхности коллоидных частиц размещаются способные к обмену катионы: в сложном компосте одновалентные катионы вызывают образование золей, а поглощение двух- и трехвалентных катионов является основой формирования гелей. Коллоидные свойства у разных агрегатных частиц при смешивании разных отходов проявляются при относительно крупных размерах – от 0,001 мм и больше. Высокодисперсные частицы дефеката, гумуса, осадков сточных вод и куриного помета чаще заряжены отрицательно и в связи с этим активно сорбируют катионы. Обменные основания входят в диффузный слой мицеллы: в коллоидах фосфогипса и галитов чаще встречается кальций и реже магний. При влиянии нейтральной соли (например, KCl) высокодисперсные частицы многих отходов выделяют оснований меньше, чем поглощают. При действии на высокодисперсную часть сложного компоста раствором CaSO4 образуется серная кислота (обменная кислотность) в результате обмена ионов Ca2+ из раствора на ионы водорода, поглощенные тонкодисперсными частицами (Фридрихсберг, 1974). Ионы водорода, связанные при обмене с катионами нейтральной соли, полностью не выделяются. При действии гидролитической соли на коллоиды (сильное основание и слабая кислота) можно 84 вытеснить значительную часть поглощенных ионов водорода. Поглотительная способность коллоидов в сложных компостах имеет большое значение для гумусовых веществ дефеката и почвы, растительных отходов и осадков сточных вод. Природа коллоидности отходов. Коллоиды отдельных отходов представляют собой дисперсные системы из мелко раздробленных частиц в однородной жидкой среде. Коллоидные частицы (особенно органические), перемещаясь в растворе сложного компоста, довольно часто склеиваются с минеральными частицами коллоидов, что обусловлено стабилизирующим характером электрических зарядов в разнотипных коллоидных системах (органических и минеральных). В дисперсной системе одного отхода (например, природного) частицы заряжены однотипными зарядами – положительными или отрицательными с учетом природы их коллоидов (Белюченко, 2008). В таких смесях, как сложный компост с включением осадков сточных вод, дефеката, куриного помета и перегноя, большинство органических коллоидов имеют отрицательный заряд. В процессах взаимодействия органических отходов с различными минеральными отходами (фосфогипс, известковая мука, галиты, зола подсолнечниковой лузги и др.) важную роль играют коллоидально распыленные частички, относящиеся к положительным коллоидам. Формирование сложного компоста с включением навоза, дефеката, осадков сточных вод, перегноя и других органических дисперсных систем определяется свойствами их коллоидов, которые являются основой образования более крупных структур с потерей седиментационной устойчивости их частиц, между которыми силы притяжения начинают превышать силы взаимного отталкивания одноименных зарядов, находящихся ниже критического потенциала их коагуляции. Золи таких отходов переходят в коагели с образованием хлопьев, а частицы структурируются в агрегаты (Горбунов, 1967; Белюченко, 2013 е). Коллоиды (частицы 0,2-0,001 мкг) самых разных отходов обладают поглотительной способностью благодаря большой удельной поверхности их частиц. Это и обусловливает их высокую химическую активность. Часть минеральных коллоидов находится в кристаллическом состоянии (в основном минералы). Другая часть минеральных коллоидов представляет собой аморфные вещества: к ним относятся аллофаны, свежеосажденные гидраты полуторных 85 оксидов: Fe(OH)3, Al(OH)3, Mn(OH)3, гидраты кремнезема и их комплексные осадки (коагели). В почвах в основном преобладают минеральные коллоиды, на долю которых приходится весьма значительная их часть. Кислоты и их соли (например, фосфогипс, калийные отходы и т.д.) считаются нестабилизированными факторами коллоида. Электролиты, представляющие раствор сложного компоста, влияют на коллоидально распыленные частицы любого отхода, включаемого в структуру сложного компоста. Например, в фосфогипсе электролит CaSO4 распадается на ион Са+2 (катион), заряженный положительно, и анион серной кислоты SO4-2, заряженный отрицательно. Положительно заряженный катион Са++ нейтрализует отрицательно заряженные молекулы аммиака. Стабилизирующее влияние электрического заряда аммиака нейтрализуется, и происходит его коагуляция. В агрегации коллоидов участвует только часть электролита – один из его ионов. При положительном заряде коллоида, если анион отрицательный, то катион участвует в агрегации коллоидов. Чем выше валентность металла, тем сильнее его осаждающее действие. Например, Mg - двухвалентный металл и действует сильнее Na, a Fe – сильнее Mg и т.д. Органические почвенные коллоиды представлены аморфными гумусовыми веществами, органоминеральными комплексами, клетками мелких водорослей и бактерий, грибов и актиномицетов. Физико-химическая адсорбция в смесях сложных отходов способствует поглощению отдельных ионов – катионов и анионов – связана с наличием на поверхности коллоидных частиц положительного или отрицательного зарядов. Наличие заряда на поверхности коллоида с кристаллическим строением (например, фосфогипса) вызвано их некомпенсированностью на поверхности твердой частицы или в силу диссоциации ионов поверхностного слоя (Белюченко и др., 2007а). Коллоидная мицелла состоит из ядра, слоя определяющих потенциал ионов, неподвижного и диффузного слоя компенсирующих ионов (Горбунов, 1967). Во многих отходах преобладают коллоиды, обладающие кислотными свойствами, с отрицательным зарядом и диссоциацией в раствор Н+-ионов. Сюда относятся гумусовые кислоты, глинистые минералы, кремнекислота. Коллоиды с основными свойствами в сложном компосте находятся в небольшом количе86 стве и диссоциируют в раствор ОН– –ионы: гидроксиды железа и алюминия, протеины, и их заряды зависят от реакции почвенного раствора; в кислой среде они ведут себя как базоиды, а в щелочной – как ацидоиды (Белюченко, Гукалов, 2011). Твердые студнеобразные системы (гели от gelo – застываю) образуются в коллоидных растворах (золях) веществ при постепенной коагуляции. Гели содержат до 99% воды. Природные гели, высыхающие постепенно (например, минерал агат), воду совсем не содержат (ксерогели). В связи с высокой дисперсностью большой поверхности в сложных компостах гели могут поглощать из раствора ионы различных химических элементов, не образуя при этом с ними химических соединений. Катионы любого раствора, поглощаясь коллоидными частицами, вытесняют ранее поглощенные катионы и поддерживают своеобразный физико-химический обмен химических элементов. Пористые гели (например, окись алюминия – алюмогель) являются поглотителями и используются в качестве адсорбентов, а также в качестве пористой основы для катализаторов. По механическим свойствам гели схожи с высокомолекулярными веществами – полимерами. Агрегативная устойчивость отдельных веществ определяется как способность системы к сохранению дисперсности и индивидуальности частиц дисперсной фазы. Коллоидная фракция у различных отходов состоит в основном из кристаллических глинистых минералов. Имеются данные о химическом составе коллоидной части почв и некоторых отходов; получены различные сведения о природе связей между органическим веществом и минералами. Изучение илистой фракции, размеры частиц которой равны коллоидам, обогащенным монтмориллонитом, показывает, что любое вещество, доведенное до коллоидной дисперсии, заметно меняет свои свойства. Дисперсность и химический состав поверхностных соединений коллоидов различных органических и минеральных отходов играют бóльшую роль, чем внутреннее строение коллоидной частицы. Связь минеральной части сложных компостов с органическими веществами и с фосфатами обусловлена в основном дисперсностью и химизмом поверхности коллоидов, а не структурой (Белюченко, Никифоренко, 2012). Коагуляционные свойства отдельных дисперсных систем отходов обусловливаются взаимным действием тепла и холода, элек87 тромагнитных полей и жестких излучений, механического воздействия и химических агентов, приводящих к нарушению агрегативной устойчивости конкретного субстрата. На своей поверхности коллоидная частица способна разместить двухвалентные катионы кальция, магния и два одновалентных иона натрия, способных к обмену. В состав поглощенных оснований отходов входят катионы Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH4+, H+, Al+3. Высокая валентность поглощенного катиона прочнее связывает ионы с определяющими потенциал ионами и сильнее нейтрализует заряд коллоидной частицы. Ослабление заряда в любой смеси обусловлено снижением силы отталкивания частиц друг от друга и вызывает их слипание и коагуляцию. Поглощение коллоидными частицами отходов одновалентных катионов способствует образованию золей, а поглощение двух- и трехвалентных катионов приводит к образованию гелей. Физическое состояние отходов зависит в значительной степени от состава поглощенных наиболее важных оснований: + + + + 2+ 2+ 2+ 3+ 3+ Na <NH4 <K <H <Mg <Ca <Ва <Al <Fe . Насыщение сложного компоста двух- и трехвалентными катионами обусловливает устойчивость поглощающего комплекса, и его коллоиды находятся в виде водоустойчивого геля, способного склеивать более крупные частицы. Такие сложные компосты обладают хорошей структурой. Насыщенные одновалентными катионами (особенно Na+) сложные компосты легко подвергаются диспергирующему действию воды, а их коллоиды при увлажнении переходят в золь. Степень гидратации ионов и коллоидов у разных отходов различная, и они насыщены различными катионами, отличающимися по степени набухания (Белюченко, Гукалов, 2011; Белюченко, Никифоренко, 2012). При внесении в почву сложного компоста, насыщенного натрием, субстрат с увлажнением набухает, заплывает, делается воздухо- и водонепроницаемым, а с высушиванием уменьшается в объеме и вертикальными трещинами разделяется на отдельные блоки. Этого не наблюдается, если сложные компосты насыщены кальцием и магнием, а также железом и аллюминием. Емкость катионного обмена (ЕКО) сложного компоста (максимальное количество поглощенных катионов, способных к обмену на другие катионы) выражается в мг-экв/100 г и изменяется от 2 до 88 65 мг-экв/100 г субстрата. ЕКО сложного компоста определяется составом высокодисперсных частиц субстрата и их количеством. Представление о емкости катионного обмена наиболее распространенных компонентов высокодисперсной части сложного компоста (мг-экв/100 г вещества) можно получить из следующих данных. ЕКО наиболее распространенных компонентов высокодисперсной части сложного компоста составляет в мг-экв/100 г вещества: каолинит – 20 мг-экв/100, гидрослюды – 20-50, монтмориллонит – 60150, гумус – 100-200, ГК – 350-800, ФК – 800-1250. Кислые субстраты, у которых в ППК присутствует значительное количество поглощенного Н+, не насыщены основаниями (Белюченко, Муравьев, 2009). Ион Н+ не занимает определѐнного места в лиотропном ряду. В почвах он стоит перед Al3+, тогда как в других соединениях (органических отходах) располагается в конце ряда. Особые свойства Н+ связаны со степенью диссоциации кислот, образующих фиксированные анионы. В сложных компостах, белковых соединениях и многих других объектах обменный комплекс образуется в результате диссоциации слабых кислот (например, гуминовых), отличающихся весьма прочной связью кислотного остатка с Н+ (водородная связь). Соли таких кислот хорошо диссоциированы, и поэтому Н+ легко вытесняет остальные катионы из внешней обкладки коллоидной мицеллы и в сложном компосте (при рН=6,5) занимает больше половины мест в обменном комплексе. Сильная связь свойственна слабокислотным (карбоксильным) высокомолекулярным ионам органических дисперсных систем (например, перегной), а для ионов сильнокислотного типа минеральной дисперсной системы (например, фосфогипс) протоны (Н+) не обладают высокой энергией связи и расположены в конце ряда среди одновалентных катионов. Многие золи (например, гидроокиси Al, Si, Fe, Mn) дисперсных систем сложного компоста характеризуются большим различием в прочности гидратных оболочек атомов, и потому коагуляция в субстратах при смешивании изучаемых веществ происходит с образованием рыхлых структурированных агрегатов (Горбунов, 1967). Коллоидные частицы дисперсных систем сложного компоста с находящимися на их поверхности слоями ионов составляют коллоидные мицеллы, которые в водной среде отделяются друг от друга межмицеллярным раствором; внутренняя часть мицеллы пред89 ставляет в химическом отношении сложный комплекс аморфного или кристаллического строения. У минеральных коллоидов черноземов внутренняя часть мицеллы состоит из алюмомагниевых и других силикатов, кремнекислоты, окислов железа и алюминия. Минеральные коллоиды чернозема и особенно перегноя весьма устойчивы и, по нашему мнению, сохраняются в течение весьма длительного времени (до трѐх лет и больше). Органические коллоиды состоят в основном из гуминовых и фульвокислот, протеинов, клетчатки и других сложных веществ, но они менее устойчивы, разрушаются и снова создаются из продуктов разложения остатков растений и животных. Диффузный слой ионов существует во влажной среде сложного компоста в почве и перегное. Если сложный компост, почва или перегной высыхают, то ионы диффузного слоя переходят в неподвижный слой. Количество ионов в диффузном слое и толщина этого слоя зависят от многих причин, в частности от химической природы молекул, находящихся на поверхности коллоидов, а также от диссоциации или распада их на ионы, от реакции и влажности среды, в целом от концентрации почвенного раствора. Большое влияние на свойства сложного субстрата (прежде всего сложного компоста, почвы и перегноя) оказывает даже незначительное количество катионов в диффузном слое. Чем больше диффузный слой, тем выше заряд коллоидных частиц и наоборот. Если заряд коллоидных частиц высокий, то они отталкиваются один от другого и сложный компост расплывается в воде, становится вязким и липким. Такие свойства характерны для малогумусного сложного компоста с содержанием органического вещества на уровне 3,5–4,0%. Структурность сложного компоста обычно имеет коллоидные частицы с относительно небольшим зарядом, что благоприятно влияет на его агрофизические свойства: внесенный в почву, такой сложный компост не заплывает, а тонкие фракции не передвигаются по профилю, вода легко проникает по порам между структурными агрегатами (Белюченко, Гукалов, 2011). В такой почве и в сложном компосте коллоиды состоят из смеси различных химических соединений, включая органические (гуминовые кислоты, фульвокислоты, клетчатку и др.) и минеральные элементы (кальций и магний). 90 С внесением сложного компоста коллоиды в форме геля в почве являются преобладающими. В почве и в сложном компосте после их смешивания именно органические коллоиды находятся преимущественно в состоянии геля; во влажных условиях лишь небольшая их часть находится в такой форме. Гели сложного компоста с участием минеральных коллоидов золы подсолнечника, фосфогипса, дефеката и др. при подсыхании склеиваются с пылеватыми и иловатыми частицами навоза и остатками органических отходов, образуя структурные агрегаты разного размера и различных форм. Если гели сложного компоста не растворяются в воде и не переходят в состояние золя, образующиеся при их высыхании структурные отдельности весьма водопрочные. Такой структурой обладают многие сложные компосты, составленные из смеси 8-10 отходов с участием полуперепревшего навоза КРС, свиней, осадков сточных вод, галитов, фосфогипса и некоторых других компонентов. Если гели сложного компоста в воде переходят в состояние золя, то почвенные агрегаты расплываются и почва становится бесструктурной, что наблюдается при низком содержании в них гумуса. Поэтому в сложном компосте доля органического вещества доводится до 4-5 уровней его почвенного содержания (Белюченко, 2012 б) При формировании сложных компостов постоянно происходит изменение количества коллоидов и переход части их из одного состояния в другое. Наиболее быстро варьируют органические коллоиды. Часть растительных остатков при разложении образует гумус, который имеет коллоидную природу и обогащает сложный компост. При внесении в смесь сложного компоста фосфогипса или других минеральных образований увеличивается число устойчивых коллоидов с последующим формированием гумуса, который активно обогащает почву высокодисперсными органическими и минеральными соединениями (Муравьев, Белюченко, 2008г; Мельник, 2010 б; Белюченко и др., 2012 б). Под влиянием периодического подсушивания почвы, еѐ нагревания, увлажнения, промораживания, изменения реакции среды и других причин органические и минеральные коллоиды заметно изменяются в сторону ослабления устойчивости. Установлено, что высушивание, нагревание и промораживание способствует переходу почвенных золей в гели. Некоторые органические соединения способствуют переходу в золи минеральных коллоидов. Например, при 91 образовании органожелезистых соединений последние могут переноситься водой по почвенному профилю. Изменение в структуре поглощающего комплекса также сказывается на состоянии коллоидов. Так, насыщение поглощающего комплекса натрием способствует образованию золей, распылению почвы, увеличению заряда почвенных коллоидов и их гидратации. Замещение натрия кальцием, наоборот, способствует переходу золей в гели и образованию водопрочных структур. Влияние катионов на формирование сложного компоста. Положительно или отрицательно заряженные частицы (ионы) формируются при приобретении или потере атомами электронов: положительно заряженные перемещают к отрицательному полюсу – катионы (Na+, Ca2+, Al3+), а отрицательно заряженные – к положительному полюсу (анионы Cl-, SO42-). Дисперсные системы, состоящие из мелко раздробленных частиц вещества, равномерно распределены в однородной среде и поверхностных слоях на границах тел, где коллоиды отличаются весьма низкой скоростью диффузии, низким осмотическим давлением, неустойчивостью (особенно минеральные коллоиды с неравновесной растворимостью), и не способны проникать через тонкопористые мембраны. Любое органическое вещество при малой растворимости переходит в коллоидное состояние. Свойства дисперсных систем в сложном компосте оцениваются молекулярным взаимодействием различных частиц в конкретной среде, что служит основой их неустойчивости и способности агрегироваться в хлопья, а также выпадать в осадок или переходить в гели – студнеобразные коагуляционные формирования. Живые организмы (бактерии, грибы, водоросли, актиномицеты) представляют собой сложные коллоидные структуры и составлены высокомолекулярными соединениями – белками, липидами и липоидами, полисахаридами и их комплексами. Современные практические технологии сложного компоста основаны на законах о коллоидной химии, особенно важны обогащение и использование минеральных и органических отходов и их превращение в сложный компост (Белюченко, 2006; Белюченко, Гукалов, 2011; Белюченко, 2013 г). Состав и количество поглощенных катионов заметно влияет на физические и химические свойства сложного компоста, в структурообразовании которого особенно велика роль кальция и натрия. 92 Кальций, являясь хорошим коагулятором, поступая в сложный компост с фосфогипсом и другими минеральными составляющими, где его содержится до 30%, способствует объединению различных коллоидов, их трансформации в гели и образованию водопрочных структурных агрегатов. Противоположное действие оказывает натрий (его в фосфогипсе содержится около 30 мг/кг). Ввиду того, что натрий диссоциирует от поверхности коллоидной частицы в большей степени, чем кальций, то в диффузном слое количество ионов натрия оказывается больше, чем кальция, магния и тем более калия. Поглощенный магний при небольшом содержании (до 15% от емкости поглощения) не оказывает негативного действия на свойства сложного компоста; в случае заметного увеличения поглощенного магния этот катион может усиливать солонцеватость смеси сложного компоста и почвы (Горбунов, 1967; Качинский, 1975). Особая роль принадлежит поглощенным ионам водорода и алюминия, катионы которых влияют на кислотность почвы. Подвижность ионов Н+ и Al3+ почти одинакова, и при избытке Al3+ в сложном компосте и его смешивании с почвой эти ионы подавляют обмен двухвалентных катионов, что приводит к ухудшению условий для развития корневых систем растений. В черноземе Н+ нейтрализует реакцию почвенной среды, а Al3+ в некоторых случаях может снизить рН почвы. Поглощенного калия в сложном компосте обычно мало, но его избыток, по аналогии с натрием, может вызывать солонцеватость почв (Горбунов, 1967). В сложном компосте в небольшом количестве встречается поглощенный аммоний, являющийся важным источником азотного питания для организмов и прежде всего одноклеточных водорослей. Высокое содержание аммония в сложном компосте указывает на недостаток кислорода и отмечается при заболачивании; временами он переходит в поглощающий комплекс и водой из почвы не вымывается. В сложном компосте в минеральных отходах имеется достаточное количество молибдена и марганца, которые ферментативно способствуют восстановлению нитратов до нитритов вплоть до перехода их в аммиак (Горбунов, 1967). Фосфогипс, галит, сильвинит и другие горные породы, благодаря содержанию в них примесей многих элементов минерального питания, пополняют сложный компост и почву микроэлементами при их включении. Превращения азотистых веществ отражают осо93 бенности обеспечения организмов азотом в сложном компосте при нейтральной реакции среды. Почвы пшеничной зоны края редко имеют кислую реакцию, поэтому основу питания растений составляют аммонийные соли. Аммиачное питание усиливает положительное действие на растения при увеличении в питательном субстрате концентрации Ca, Mg и К, чему особенно способствует внесение сложного компоста. Поглощенные ионы кальция и магния, а также оксиды алюминия и железа препятствуют вымыванию из сложного компоста фосфорнокислых солей, так как образуют с фосфат-ионами малорастворимые и труднорастворимые соединения. Избыток ионов кальция и магния в поглощающем комплексе сложного компоста и в его растворе делает часть фосфатов трудноусвояемыми для растений, что следует учитывать при их комбинировании (Белюченко и др., 2010 а). При внесении в почву сложного компоста растения усваивают питательные вещества, находящиеся в форме солей в растворе, куда их ионы поступают из минералов, разложившихся остатков растений, животных и микроорганизмов. В твердой части сложного компоста имеется большой запас минеральных веществ, и лишь небольшая их часть находится в растворе, преимущественно в форме ионов кальция, магния, калия, натрия, аммония, иногда алюминия, железа, водорода и анионов ряда кислот – угольной, серной, азотной, соляной, фосфорной. Внесение в почву сложного компоста (от 60 до 70 т/га) способствует повышению в еѐ составе доли коллоидных соединений и улучшению еѐ физико-химических свойств (Белюченко, 2006). Таким образом, коллоиды хорошо поглощаются субстратом вследствие образования труднорастворимых осадков анионов с катионами, встречающимися в поглощающем комплексе, – кальцием, алюминием, железом или гидратами полуторных окислов. К этой группе относятся анионы фосфорной кислоты, которые в почвенном растворе могут находиться в форме Н2РО4-, HPO42-, PО43-. Соотношение этих анионов меняется в зависимости от реакции среды (Иваницкий и др., 1990). Наиболее растворимы кислые соли: однозамещенный фосфорнокислый кальций, все соли натрия, аммония, а также калия. К относительно мало растворимым солям относится двузамещенный фосфорнокислый кальций. Плохо растворяются трехзамещенный фосфорнокислый кальций, а также соли алюминия 94 и железа. Переход более растворимых (кислых) форм фосфорных солей к менее растворимым (основным) следует считать одной из причин поглощения фосфатов. Благодаря образованию нерастворимых или малорастворимых солей фосфор почти не вымывается водой. Усвоение анионов Cl-, NO-3, NO2- усиливается в кислой среде. Очень кислая среда (рН < 4,0) редко встречается в отходах, образуемых в крае (к таким отхосится, фосфогипс), и эти анионы слабо взаимодействуют с поглощающим комплексом; в почвенном растворе они находятся в свободном перемещении, где в очень незначительной степени могут быть доступными для растений. 95 ГЛАВА 5. ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ И РАЗВИТИЕ СЛОЖНОГО КОМПОСТА IMPORTANCE OF MICROORGANISMS IN THE FORMATION OF COMPOUND COMPOST Formation of the compound compost is due to compounds of mineral and organic colloids, creating new cycles biogens, enhancing the enzymatic activity of organic matter, respiration of living organisms, the occurrence of gaseous compounds, especially nitrogen, expanding ecological niches. Number of microbial communities evaluates the level transformation of organic matter, the activity life-support systems of living organisms. Introduction of complex compost to the soil enhances of possibilities of ecological niches. Формирование сложного компоста идет за счет комплексирования соединений минеральных и органических коллоидов, создания новых круговоротов биогенов, усиления ферментативной активности органического вещества, дыхания живых организмов, возникновения газообразных соединений, особенно азотных, расширения экологических ниш. Численность микробных сообществ оценивает уровень трансформации органического вещества, активность системы жизнеобеспечения живых организмов. Внесение в почву сложного компоста расширяет возможности развития экологических ниш (Белюченко, 2013). В сложных (поликомпонентных) компостах всегда формируются сообщества микроорганизмов с самыми разными трофическими функциями. При компоновке различных отходов не все виды микроорганизмов способны обеспечивать изначально систему устойчивости и равновесия в сложном компосте и потому их сообщества на начальном этапе разрознены и не взаимосвязаны в единую систему (Алифиров и др., 2007 а, в). Однако к концу третьейчетвертой недели взаимодействие живых организмов ведет к их объединению в эколого-функциональные системы по использованию в качестве энергетического ресурса в основном органического вещества и его трансформации в гумус (глинисто-гумусовый комплекс) и другие соединения: органические кислоты, аминокислоты, 96 ферменты, ауксины, а также в простые органические вещества: СО2, Н2О и т.д. Правильное объединение различных отходов при формировании сложного компоста (например, щелочная среда свиного навоза и кислая среда фосфогипса) благодаря микробоценозам ускоряет и усиливает развитие органоминерального комплекса на основе физических и химических реакций органических и минеральных составляющих: навоза (подстилочного и жидкого), куриного помета, осадков сточных вод, дефеката, галита, фосфогипса и других компонентов (Белюченко и др., 2013 в). Сущность формирования сложных компостов заключается в развитии микробиологических процессов по разложению органических веществ, комплексированию соединений минеральных и органических коллоидов, созданию агрегатов размером до 2,0 мм, формированию новых круговоротов биогенов, усилению дыхания и образованию субстрата компоста за 1,0-1,5 месяца в теплый период года. Эти процессы осуществляются живыми организмами, главным образом одноклеточными – протистами. Сюда относятся прокариоты (группа низших протистов): бактерии, включая цианобактерии (синезеленые водоросли), заметно отличающиеся по строению клеток от других организмов, а также высшие протисты, сходные по строению с растительными и животными клетками и включающие одноклеточные водоросли, грибы, простейшие и ряд других форм. В сложном компосте параллельно ускоряются и другие химические реакции, минерализующие отмершие организмы животных и растений, превращая их в неорганические соединения, в составе которых видное место занимают такие элементы, как углерод, азот, сера, фосфор и некоторые другие. Важное место в динамике азота в сложном компосте занимает аммиак, образующийся при гниении органических веществ и их разложении под влиянием уреазоактивных анаэробных бактерий, активность которых заметно усиливается при повышении температуры. В сложном компосте видное место занимает и аммоний, образующийся при разложении белков и аминокислот и под влиянием бактерий Nitrosomonas и Nitrobacter, окисляющихся до нитратов и нитритов; значительная часть азотных соединений при отсутствии кислорода в результате денитрификации теряется в атмосфере. В массе сложного компоста весьма активно функционируют свобод- 97 ноживущие бактерии, выполняющие важную роль в круговороте азота. При включении фосфогипса в сложный компост в сочетании с навозом свиней и КРС, куриным пометом, осадками сточных вод и другими органическими отходами регистрируется прохождение реакции CaSO4 + СО2 + NH3 (навоз) → СаСО3 + (NH4)2SO4. При создании благоприятных условий указанная химическая реакция протекает достаточно интенсивно и количество доступного растениям азота увеличивается (Белюченко и др., 2002). Кроме того, частичное обновление смеси свежим растительным материалом замедляет денитрификацию и процесс разрушения органического вещества сложного компоста, снижает газообразные потери азота. Для поддержания активности различных процессов в сложном компосте микроорганизмы осуществляют наиважнейшую работу по поддержанию круговорота углерода – от начала формирования компоста до его созревания. Минерализуя органический углерод, представленный в сложном компосте в виде различных остатков органических соединений, микроорганизмы нарушают его равновесие. Почвенные живые организмы своей работой – постоянной минерализацией органического вещества – возвращают в атмосферу углерод в основном в форме СО2. Работа, выполняемая фотосинтезирующими растениями, соотносится с работой, выполняемой бактериями и грибами, осуществляющими кооперацию в круговороте углерода (растения синтезируют, а бактерии и грибы минерализуют органические вещества отмерших растений и животных). Формирование органических и минеральных коллоидов в ППК почвы с внесением в неѐ сложного компоста существенно сокращает их вымывание в грунтовые воды (Белюченко и др., 2006 а, е, ж, з). При формировании сложного компоста относительно мало минерального углерода (около 1%) уходит в атмосферу в форме метана и он образуется в недоступных для кислорода воздуха местах, в основном в нижней части сложного компоста, когда перемешивание отходов не практикуется. В образовании метана в случае отсутствия кислорода принимают участие клостридии (Clostridium pasteurianum). Основным субстратом при переработке органической пищи у живых организмов являются сахара, которые в форме полимеров преобладают в процессах минерализации в природе (до 60- 98 70%); в форме мономеров они же являются предпочтительными для питания основной части микроорганизмов (Миркин, 1985). Доля серы (до 1%) в сухом веществе организмов приходится на серосодержащие аминокислоты – гомоцистеин, метионин и цистеин. Основная часть сероводорода в природе образуется при диссимиляционном восстановлении сульфатов в результате активности сульфатредуцирующих бактерий и при отсутствии молекулярного кислорода в нижних частях объемов сложных компостов до серы и сульфата фототрофными анаэробными бактериями. При наличии О2 сероводород окисляется серобактериями до сульфата. Для синтеза серосодержащих аминокислот растения и некоторые микроорганизмы получают серу путем ассимиляционной сульфатредукции, а животные получают с пищей восстановленные соединения серы. Фосфор в сложном компосте представлен свободными ионами ортофосфорной кислоты Н3РО4 в достаточно низкой концентрации с образованием малорастворимых соединений, поскольку их основная часть находится в комплексах с тяжелыми металлами. Фосфаты необходимо в сложном компосте перевести в растворимую форму. Концентрация полуторных окислов, особенно железа и алюминия, относительно низкая в почве и особенно в водоемах, и фосфаты остаются в свободной форме, провоцируя эвтрофикацию речных систем и массовое размножение прежде всего одноклеточных водорослей и азотфиксирующих цианобактерий. В почве образуются нерастворимые соли фосфатов и чаще всего растворимые фосфаты, наиболее доступные растениям. Сообщества живых организмов и сложный компост. Ферментативная активность сложного компоста, разложение в нем органического вещества и усиление дыхания живых организмов приводят к образованию газообразных веществ, особенно азотных (аммиака и других соединений), которые легко инфильтруются в грунтовые воды, а в форме молекулярного азота переходят в атмосферу. В связи с этим численность сообществ живых организмов (бактерии, грибы, актиномицеты, одноклеточные водоросли и др.) в сложных компостах, с одной стороны, указывает на их буферность и реально оценивает уровень трансформации органического вещества, а с другой – на интенсивность комплексирования органических и минеральных соединений, что формирует активную систему жизнеобеспечения живых организмов, а также объединяет всю совокуп99 ность физических, химических и биологических особенностей сложного компоста с включением отходов отдельных производств в единую систему высокого плодородия верхнего слоя почвы (Белюченко и др., 2005 а, б; 2006 и; 2007 г). Развитие сложного компоста достигает максимума при достижении им способности сохранять экологическое неравновесие или близкое к нему состояние в процессе минимального варьирования внешних условий, что достигается нарастанием в целом высокой биологической активности. Реальная активность сложного компоста в процессе его развития оценивается степенью возможности улучшения почвы при его внесении в еѐ верхний слой (Белюченко, Мокрецов, 1991 а). Условия развития сложного компоста в каждом сезоне года различны, и поэтому наиболее оптимальное состояние активности трудно определить без биологической оценки основных функций по содержанию и составу в компосте органического вещества, кислотному показателю и многообразию видового и популяционного состава микробоценозов (Белюченко, Мокрецов, 1991 а). Общее содержание микробных клеток, по которому можно оценить их биомассу, представляет собой значительное отклонение от минимума, свойственного конкретному сложному компосту (например, минимум, который он способен энергетически обеспечить в самый неблагоприятный период). Мощность сложного компоста не определяется колебаниями температуры, влажности и варьированием органического вещества, а связана с его составом и свойственными ему физическими и химическими характеристиками, которые складываются в процессе его формирования и определяют серьезные изменения за весьма короткий срок в летний период (с апреля до ноября) за счет самых различных реакций в зависимости от загрязнений, сопутствующих технологическим процессам т.д. (Белюченко и др., 2005 в; 2006 б, в, д). Благоприятное развитие биомассы микробных клеток в процессе развития сложного компоста обусловлено трудными для учета факторами среды (выпадением дождей, отсутствием засухи, количеством органического вещества в верхнем слое почвы, реальным варьированием температуры, количеством солнечного света и т.д.). Минимальный пул клеток складывается при значениях этих показателей, далеких от оптимума. В зерновой зоне края для контроля за созреванием сложного компоста можно использовать время отбора 100 проб и их анализа за 7-10-дневный срок при ежегодных оценках развития сообщества живых организмов. Повышение биологической активности сложных компостов происходит благодаря активному развитию бактерий, грибов, актиномицетов, одноклеточных водорослей и других представителей живых организмов. По мере формирования и созревания сложного компоста стабилизируется разложение органического вещества при снижении интенсивности процессов нитрификации и денитрификации. Система сложного компоста в силу координирования складывающихся в нем различных процессов достигает высокой степени взаимодействия различных еѐ составляющих, включая и развитие сообщества живых организмов, активизация которых связана со снижением потерь различных веществ и в первую очередь органических. В сложном компосте микроорганизмы приурочены главным образом к органическим веществам (в основном к живым), представляющим для них основной источник энергии, и лишь некоторые виды способны использовать в качестве энергетического материала минеральные субстраты (Белюченко, Подаруева, 1992; Белюченко, Пономарева, 2005; Белюченко и др., 2006 д, е; Belyuchenko, 2014 а). Развитие сложных компостов и их физиологическая и химическая активность определяются микробиологическими механизмами регуляции. В органических отходах, особенно в осадках сточных вод, полуперепревшем навозе, в отходах переработки овощей, фруктов, сахарной свеклы и других продуктов растениеводства, формируется группа микроорганизмов, которые не имеют в запасе всех необходимых им элементов питания, и это сдерживает и весьма существенно развитие их популяций. Среди лимитирующих факторов в развитии живых организмов (бактерий, грибов, актиномицетов, одноклеточных водорослей и др.) в сложном компосте является нехватка органического вещества и особенно разнообразия их биологического состава (углеводов, белков, ферментов и т.д.), а в минеральной структуре – калия, серы, фосфора, марганца. Для развития микроорганизмов в сложном компосте не достает влаги в летний период, тепла – зимой, а также питательных веществ – во всех случаях нехватки каких-либо соединений, органических или минеральных (Белюченко, 1990). В период созревания сложного компоста его развитие поддерживается нарастанием числа видов живых организмов и числен101 ности их популяций, нарабатывающих энергетический запас массы. В полевых условиях масса живых организмов в сложном компосте колеблется в весьма широких пределах. Например, в 1 г сложного компоста на основе свиного навоза содержится от 200 до 1000 млн бактериальных клеток; кроме того, насчитывается значительное обилие грибных гифов, клеток актиномицетов, а также одноклеточных водорослей, организмов микро- и мезофауны. На 1 м3 сложного компоста приходится до 40-60 кг массы живых организмов (Белюченко, Пономарева, 2005; 2006). Мезофауна и развитие сложного компоста. Важным фактором почвообразования является активность почвенных животных. В посевах кукурузы через полгода после внесения сложного компоста отмечено увеличение популяций дождевых червей с 37 до 300 особей/м3 в летний период 2008 г. Дождевые черви нередко выступают доминантами на изучаемой территории и выполняют весьма важную работу при осуществлении второго этапа трансформации отчужденной биомассы по перемешиванию и разрушению органического вещества в сложном компосте на пути его трансформации в гумус. Отмечается увеличение в почве энхитреид после внесения сложного компоста на фоне отходов сахарной свеклы, а после озимой пшеницы увеличиваются популяции кивсяков и т.д. (Пономарева, Белюченко, 2005 а, б; Никифоренко 2013). Объективно почвообразование немыслимо без живых организмов, особенно мезофауны, которая выполняет чрезвычайно большую работу в сложном компосте по измельчению органической массы и постепенному еѐ трансформированию в гумус, представляющий органоминеральный комплекс коллоидного типа. В случае сокращения численности живых организмов в почвенном слое и прежде всего мезофауны (дождевые черви, энхитреиды) снижается плодородие почвы в связи с потерей органического вещества, падает урожайность растений, ухудшается его качество, падает численность микроорганизмов, идет накопление токсинов, вредителей, болезней, усиливаются эрозионные процессы, чему способствует непродуманное использование химических веществ (удобрений и пестицидов). Почвенная мезофауна как важный фактор почвообразования влияет на все свойства почвенного плодородия: структуру почвы, еѐ плотность, существенно улучшая физические, химические и биологические свойства. Особый интерес в этом плане представля102 ют кивсяки, дождевые черви, энхитреиды и другие беспозвоночные организмы (табл. 5.1). В первый год после внесения сложного компоста обозначились личиночные стадии жужелиц, щелкунов и других видов. Начиная со второго года (2009 г.) в почве под озимой пшеницей заметно увеличилось количество популяций кивсяков и дождевых червей; энхитреиды заметно сократили свою численность. Популяции всех представителей мезофауны сократились в посевах озимой пшеницы после выращивания кукурузы на зерно. Еще сильнее сократились популяции изучаемой мезофауны при посеве подсолнечника после озимой пшеницы. Численный состав дождевых червей и энхитреид в течение годичной вегетации (ноябрь 2008 г. – апрель 2009 г.– июль 2009 г.) заметно варьирует. Так, при внесении сложного компоста в ноябре 2008 г. численность популяции дождевых червей составила 30 и энхитреид 97 особей на 1 м2, а на контроле их количество варьировало соответственно в пределах 24 и 23 особей. В конце марта и до июня у обоих видов численность популяций сократилось, что, очевидно, явилось результатом пестицидных обработок. При посеве озимой пшеницы по сахарной свекле внесение сложного компоста способствует нарастанию популяций дождевых червей. Таблица 5.1. Содержание некоторых представителей мезофауны (шт./м2) в летний период (полевые опыты 2008-2012 гг.) 2008 2009 2010 2011 2012 Озимая Озимая Кукуруза на Озимая Подсолпшеница пшеница зерно Пшеница нечник МезоNP консложсложсложсложфауна +слож конконконконтрол ный ный ный ный ный троль троль троль троль ь комкомкомкомком- (NP) (NP) (NP) (NP) NP) пост пост пост пост пост Кивсяки 8 15 12 35 10 27 7 23 17 27 Энхит123 197 34 84 31 95 54 84 36 74 реиды Дождевые 24 30 16 49 10 31 22 56 24 57 черви 103 В полевых опытах в ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района Краснодарского края было установлено, что численность представителей почвенной мезофауны, особенно кивсяков, дождевых червей и энхитреид, даже на пятом году выращивания кукурузы на зерно превышала на 75-250% контрольный вариант (Белюченко, Боташева, 2003). В 2011 г. изучали влияние органического вещества (полуперепревший навоз КРС) и сложного компоста, внесенных осенью 2010 г., по сравнению с минеральными удобрениями (табл. 5.2). Внесение сложного компоста осенью 2010 г. благоприятно сказалось на урожайности зерна кукурузы в 2011 г. (до 95 ц/га) в сравнении с контролем (70 ц/га), а на четвертый год (2014 г.) урожайность зерна кукурузы повысилась до 103 ц/га при урожае на контроле 69 ц/га. Изучение в различных вариантах опыта количества нор мышевидных грызунов в посевах озимой пшеницы по кукурузе и сахарной свѐкле показало, что сложный компост в осенний период роста злака снизил их количество до 12-19 шт., а на фоне минеральных удобрений число нор доходило до 80 шт./га; в весенний период число нор с внесением сложного компоста составило 5-10 на 1 га, а на контроле превысило 80. Вполне допустимо, что подкисление серой молодых растений вызывает неприятие этого корма мышами. Большой интерес представляет аналогичное действие сложного компоста на сокращение числа семей мышевидных грызунов и на второй год посева озимой пшеницы. Таблица 5.2. Численность почвенной мезофауны (шт./м2) в посевах кукурузы (2011 г.) в период еѐ уборки на зерно Вариант NP (контроль) NP + полуперепревший навоз КРС NP + сложный компост Кивсяки 7 Дождевые Энхитреиды черви 8 14 Урожайность, ц/га 70 10 16 40 78 28 45 73 95 Живые организмы в созревающих сложных компостах представлены в основном гетеротрофами, и значительная часть получаемой ими энергии при минерализации органического вещества 104 расходуется на поддержание их биомассы (табл. 5.3). Осуществляя в сложном компосте процессы трансформации органических веществ, особенно свежего материала, живые организмы используют на свой рост и размножение до трети и больше энергетических веществ (Белюченко, Назарько, 2000; Белюченко и др., 2001; Белюченко и др., 2006 б). Таблица 5.3. Численность популяций основных групп мезофауны в почве перед внесением полуперепревшего навоза и сложного компоста (2008 г.) Вариант опыта Почва + NP (контроль) Полуперепревший навоз Сложный компост Мезофауна, шт./10 г образца Дождевые Кивсяки Энхитреиды черви 2 3 2 3 5 4 5 9 6 Живые организмы и развитие сложного компоста. Формирование сложного компоста идет в любой период года, но особенно активно этот процесс проходит в летний сезон, когда для его развития необходимо периодически удовлетворять потребность биоты в свежем растительном материале. С этой целью при перемешивании сложного компоста в очередной срок (примерно через месяц) в массу сложного компоста добавляется относительно свежая растительная масса, обогащенная белками, ферментами, витаминами и другими активными веществами, включая свежие отходы зеленой кукурузы, зеленую массу трав, смѐт использованных кормов, очистки зерна и других отходов, пригодных для использования в этот период из расчета 3-5 т/га. При нехватке относительно свежих кормов живые организмы используют органическую массу сложного компоста и значительная часть микроорганизмов переходит в состояние покоя. В первый год подготовки сложного компоста следует иметь в виду вероятность такой ситуации, в последующие годы такой необходимости нет, поскольку объединение сложного компоста и верхнего слоя почвы поддерживает необходимый уровень различных веществ и его стабильность для энергетического обеспечения жизнедеятельности живых организмов (Gorchakova, Belyuchenko, 2014 а). 105 Анализируя структуру сложного компоста, следует обратить внимание на то, что его живые организмы обладают определенным запасом органического вещества, которое на первых порах развития смеси расходуется в достаточной степени живыми организмами и достигает определенного уровня минерализации. Верхний слой почвы обычно отличается рассеянным распределением органического вещества и широким варьированием численности видов и популяций различных организмов. При поздних сроках внесения в почву перезревшего сложного компоста и растительного материала органическое вещество в нем расходуется, а микроорганизмы усваивают рассеянные элементы и используют минеральные ресурсы, а затем, в силу этих обстоятельств, переходят в состояние покоя. Весьма важно определить активность микробного пула, который для почвы считается определяющим показателем еѐ гомеостатичности, что выражается в поддержании определенного постоянства видового состава и численности популяций микроорганизмов. Является ли это свойство постоянным для сложного компоста, требует изучения. Для каждого типа отхода (дефеката, свиного навоза, птичьего помета и т.д.) характерно свойственное ему содержание растворимых органических (белки, сахара, аминокислоты, витамины, ферменты и др.) и неорганических соединений (аммиака, аммония, нитратов, подвижного фосфора и других), а также уровень рН и расхождение этих показателей по географическим зонам (Gorchakova, Belyuchenko, 2014 б). При добавлении в сложный компост растительных отходов (солома, стебли кукурузы, шляпки подсолнечника или отходы сахарной свеклы и др.) в их систему включаются микроорганизмы, которые при благоприятных условиях (влага, температура, питательные вещества) доводят постепенно состояние всего субстрата до равновесного уровня (Белюченко и др., 2005 в). Передвижение живых организмов в разных направлениях от места концентрации существенно затрудняется адсорбцией их различными почвенными частицами, особенно органическими веществами и глиной. Кроме того, мелкие поры между частицами почвы также вызывают затруднения в их передвижении. В отдельных местах возникают условия либо аэробные, либо анаэробные с резко меняющимися температурами, увлажнением, значениями рН и т.д. (Белюченко, Подаруева, 1990; Волошина, 2006). Сообщества живых организмов при разных 106 условиях формирования сложного компоста должны иметь широкий спектр популяций, осуществляющих аммонификацию, нитрификацию, азотфиксацию, а также трансформировать органические и минеральные вещества, разлагать целлюлозу и другие труднодоступные соединения (Белюченко, Волошина, 2007; Белюченко и др., 2009 в). Передвижение живых организмов в сложном компосте. Живые организмы в сложных компостах свободно мигрируют по определенным направлениям. Например, при наличии легкоразлагающихся органических веществ в сложном компосте они отличаются быстрым увеличением своих популяций и их значительным экологическим разнообразием. Сформированный сложный компост выделяется огромным разнообразием многих видов организмов, включая в первую очередь бактерии и грибы, способные продуцировать различные активизирующие разложение соединения: аминокислоты, витамины, ферменты и другие вещества (Кураков, Белюченко, 1990 а, б; 1994; Волошина, Гукалов, 2009). Сложные компосты при их подготовке в буртах в определенной степени дублируют процессы развития микроорганизмов верхнего слоя почвы и нередко являются благоприятной средой для расширения в нем экологических ниш и разнообразия популяций живых организмов. В процессе компостирования в условиях достаточной обеспеченности пищей количество клеток (популяций) живых организмов в сложном компосте достигает значительной величины, но их видовой набор обычно снижается; при развитии в менее благоприятных условиях численность клеток микроорганизмов уменьшается, но их видовой состав весьма значителен, и при изменении условий они заметно активизируют процессы минерализации органического вещества (Донец, Белюченко, 2000; Донец и др., 2000). С началом формирования сложного компоста в нем преобладают доступные органические вещества, трансформация которых протекает быстро, а с завершением этого процесса значительная часть живых организмов переходит в покоящееся состояние в виде спор бактерий, грибов, актиномицетов, и одноклеточных водорослей. Образование комплекса органических и минеральных отходов, составляющих основу сложного компоста, сдерживается развитием микроорганизмов, поскольку в отходы обычно не поступает свежих 107 растительных материалов. На различных стадиях преобразования отходов в них формируется относительно много органических соединений, включая сахара, органические кислоты и другие питательные соединения, которые поддерживают жизнедеятельность живых организмов в течение всего периода развития сложного компоста, особенно в случае отсутствия свежего растительного материала (Кураков, Белюченко, 1990 а; Назарько, Белюченко, 2000). В сложном компосте обычно образуется определенный запас энергетических ресурсов для обеспечения живых организмов, включая различные органические вещества. При благоприятных условиях развития сложные компосты перерабатывают за весьма короткое летнее время столько органических веществ, сколько при естественных условиях их не поступает в почву за год. Весьма активная трансформация органического вещества характерна для отходов щелочного типа (например, свиной навоз или куриный помет в контакте с кислой средой фосфогипса, золы или других минеральных материалов, обогащенных кальцием, серой, фосфором, кремнием, а также многими микроэлементами). Высокая активность органических и минеральных коллоидов в составе сложного компоста характерна при их смешивании в условиях хорошего увлажнения (60-75%) и достаточно высокой температуры (27-32°С); при низких показателях указанных факторов ферментативная активность сложного компоста резко снижается. Кроме того, разобщенность субстрата и органических веществ сложного компоста не менее важна при развитии процессов, если они содержат минеральные соединения кремния, алюминия, железа, свинца и ряда других элементов. Поэтому обязательным условием формирования сложного компоста еще в самом начале является тщательное перемешивание всех составных частей с целью равномерного распределения органических и минеральных соединений, а также образования его поглощающего комплекса при достаточном обеспечении водой – от 40 до 55% (Кураков, Белюченко, 1990 а, б; Belyuchenko, Gorchakova, 2014). Влияние условий среды на развитие сложного компоста. Микробиологический анализ почвенных проб, отобранных с изучаемых полей под различными сельскохозяйственными культурами, выявил, что доминирующее положение при внесении подготовленного сложного компоста занимает прокариотный комплекс, который 108 значительно превышает численность микроскопических грибов (Кураков, Белюченко, 1990 б; 1994). Общая численность бактерий в почвах при выращивании сельхозкультур варьирует в широких пределах (от 4 до 73 млн клеток), среди бактерий наблюдается доминирование аммонифицирующих микроорганизмов (табл. 5.4). Результаты полевых исследований показали, что при внесении сложного компоста в первый год на полях с сельскохозяйственными культурами наблюдается увеличение численности микробного сообщества. Живые организмы чутко реагируют на изменения условий среды: так, снижение рН до 6,8-7,1 и улучшение аэрации способствует активизации развития бактерий и грибов и приводит к увеличению их численности. Установлено, что фосфогипс в количестве 7 т/га, включаемый в состав сложного компоста, снижает количество и титр нитрифицирующих микроорганизмов, которые выделяются высокой численностью в почвах под пшеницей (Кураков, Белюченко, 1990 а, б). Таблица 5.4. Изменение численности эколого-трофических групп микроорганизмов в год внесения в почву сложного компоста Вариант опыта Сложный компост Полуперепревший навоз КРС Почва Микроорганизмы МикромиАммони- Амилоли- ОлигоНитриУроцеты, фицирую- тические, трофные, фицивень рН -з -6 -5 щие, *10 *10 *10 рующие, *10 6 КОЕ/г КОЕ/г КОЕ/г КОЕ/г титр 73 48 69 10-4 6 6,8-7,1 58 31 53 10-5 4 7,9-8,4 49 28 45 10-5 4 8,4-8,8 Микробные сообщества и развитие сложного компоста. Основную роль в развитии сложного компоста играет прокариотный комплекс, численность которого существенно превышает другие группы микробных сообществ (табл. 5.5). Таблица 5.5. Численность микроорганизмов некоторых эколого- 109 трофических групп через год после внесения сложного компоста Вариант опыта Почва + NP Почва + NP + полуперепревший навоз КРС Сложный компост Аммонифицирующие,10-6 КОЕ/г 90 Амилолитические, 10-6 КОЕ/г 45 Олиготрофные, 10-5 КОЕ/г 75 Нитрифицирующие, титр 10-6 Микромицеты, 10-3 КОЕ/г 6 185 75 80 10-5 6 275 120 84 10-4 8 Преобладают аммонифицирующие и амилолитические группы организмов – число клеток доходит до 275 млн. Большую роль в круговороте органических и минеральных веществ играют микробы-редуценты. На олиготрофные микроорганизмы приходится до 50% общей численности микробного сообщества; из них были наиболее представлены Penicillium (до 40%), Trichoderma (до 20%), Aspergillus (до 10%) и Fusarium (до 10%). Высокий уровень летнего развития почвенных сообществ микроорганизмов объясняется тем, что эта группа способна хорошо развиваться при относительно низкой влажности и высокой температуре. Осенью их численность понижается, что, скорее всего, вызвано повышением влажности в почвах и снижением температуры; зимой, очевидно, это связано с низкой температурой почвы. Увеличение численности актиномицетов, прежде всего у представителей рода Streptomyces, свойственно также актиномицетам в полях, куда внесли сложный компост; особенно активно актиномицеты увеличивают свои популяции в летний период. Важной таксономической группой микроорганизмов в сложном компосте являются актиномицеты, которым принадлежит значительная роль в круговороте минеральных элементов в трофической цепи в качестве микробов-редуцентов (табл. 5.6). Было установлено, что на голодном агаре численность и видовое разнообразие актиномицетов, выделенных из крахмально-аммиачного агара, были значительно выше контроля. В исследуемых образцах широкое распространение имели представители таких родов, как Streptomyces, Nocardia, Nocardiopsis, 110 Micromonospora, относительно редко встречались представители рода Streptosporаngium (Донец, Белюченко, 2000). Таблица 5.6. Численность микроорганизмов на крахмально-аммиачном и голодном агаре Вариант опыта Микроорганизмы Амилолитические, 10-6 Олиготрофные, 10-4 КОЕ/г КОЕ/г общее из них актиобщее из них количество номицетов количество актиномицетов Сложный компост Полуперепревший навоз КРС Почва 71 4 75 45 38 3 41 38 34 3 35 31 При изучении таксономического разнообразия живых организмов в вариантах с использованием сложного компоста в посевах озимой пшеницы было установлено наличие представителей таких родов, как Streptomyces, Micromonospora, Nocardia и др. Наиболее многочисленным в исследуемых сложных компостах оказался род Streptomyces, входящий в состав микробного комплекса, осуществляющего процесс разложения сложных органических веществ и характеризующегося достаточно широким видовым спектром. Анализ полученных данных показал, что наиболее часто встречались актиномицеты, относящиеся к секции Cinereus, реже выделялись серии Chromogenes, Violaceus, Aureus (Белюченко, Подаруева, 1992; Волошина, 2006). Необходимо отметить еще одну весьма важную группу живых организмов – это плесневые и дрожжевые грибы, занимающие по численности и биомассе значительное место среди других организмов. Наибольшая встречаемость этих грибов отмечается в вариантах, где много органического вещества на стадии минерализации, поскольку именно эта группа организмов участвует в минерализации органических остатков благодаря наличию в их выделениях разнообразных гидролитических ферментов. Грибы весьма активно участвуют в превращениях многих соединений азота и способствуют улучшению структуры субстрата через агрегирование его частиц (Белюченко, 1991 а; Belyuchenko, Gorchakova, 2014). 111 Наиболее широко в разных вариантах распространены представители следующих родов: Penicillium, Trichoderma, Aspergillus, Fusarium, Rhizopus, Cladosporium, Alternaria. Среди дрожжевых грибов наиболее часто встречаются представители родов Lypomyces и Candida. Обычно они отмечены в бактериально-дрожжевом комплексе азотфиксирующих микроорганизмов. При внесении в почву сложного компоста также наблюдается увеличение численности микроскопических грибов. В вариантах сельхозкультур наиболее часто встречаются микромицеты таких родов, как Peniculium и Aspergillus. Следует отметить, что на полях озимой пшеницы в варианте со сложным компостом грибы рода Fusarium практически не встречаются (Белюченко и др., 2006 з; Белюченко, Волошина, 2007). Живые организмы в сложном компосте осуществляют весьма сложные биохимические процессы распада трудноразлагаемых органических веществ (кочерыжки кукурузы, еѐ корни, стебли, однолетние побеги кустарников и т.д.) за счет взаимодействия различных по экологической природе группировок: молочнокислые, фотосинтезирующие и азотфиксирующие, а также ферментирующие бактерии, грибы, дрожжи, почвенные актиномицеты, одноклеточные водоросли. Большинство указанных групп в меньшем или большем соотношении встречаются практически во всех органических отходах; их мало в простых растительных остатках (например, солома ячменя), но много концентрируется во всех видах навоза, осадках сточных вод и в других многокомпонентных составляющих. В сложном компосте азотфиксация ведется разнообразными прокариотными микроорганизмами: автотрофными и гетерофными бактериями, различными фотосинтезирующими бактериями, клубеньковыми бактериями, азотобактером, клостридиумом и т.д. (Белюченко, Назарько, 2000; Белюченко и др., 2006 е; Gorchakova, Belyuchenko, 2014). В сложном компосте микроорганизмы по своей функциональной роли можно разделить на азотфиксаторы, нитрификаторы, денитрификаторы, аммонификаторы, целлюлозолитические, пектинолитические и другие трофические группы. Нитрификация органических соединений осуществляется весьма существенной группой хемолитотрофных бактерий, а гетеротрофная нитрификация выполняется рядом гетеротрофных бактерий и грибов. Гидролиз труднорастворимых фосфатов фосфогипса и других соединений в сложном 112 компосте выполняется разными группами микроорганизмов, которые осуществляют также окисление и восстановление железа и марганца (Белюченко, Подаруева, 1992; Белюченко и др., 2006в). Различные группы микроорганизмов выполняют очень важные процессы в сложном компосте. Так, к группе основных азотфиксаторов относится Azotobacter, а среди денитрификаторов выделяется Pseudomonas denitrificans и ряд других видов. Аналогичные процессы свойственны и другим микроорганизмам с учетом условий среды их обитания. При отсутствии связанного азота в сложном компосте микроорганизмы осуществляют азотфиксацию из органического вещества, в котором при недостатке кислорода и наличии связанного азота усиливается денитрификация (Белюченко, Муравьев, 2008). Многие физиологические реакции бактерий отличаются высокой активностью. Для своего роста бактерии в сложном компосте используют белки и выступают в роли аммонификаторов; в других случаях они могут выступать в качестве нитрификаторов и денитрификаторов, что указывает на полифункциональность многих эколого-трофических групп микроорганизмов. Определенное сходство в этом плане свойственно и грибам, и актиномицетам. Многие процессы разложения органических веществ микроорганизмами в сложном компосте дублируются, что ускоряет минерализацию органических соединений. При усилении кислотной основы сложного компоста ускоряется процесс разложения пестицидов, фенолов и других загрязнителей, оказывающих влияние на характер равновесности смеси. Дублирование основных процессов разложения (нитрификация и денитрификация), образование ряда других веществ (ферментов, витаминов и т.д.) в сложном компосте осуществляется различными экологическими группами микроорганизмов, способными занимать сходные экологические ниши, различающиеся в пространстве и времени, в аэробных и анаэробных условиях, при высокой и низкой температурах (Белюченко, 2013). Разложение органических веществ различными группами живых организмов связано с образованием в сложном компосте большой массы СО2 в результате усиления в нем автотрофного и гетеротрофного процессов: микроорганизмы разрушают одни и формируют другие органические вещества (например, белки, сахара и другие соединения при разложении целлюлозы, пектинов и др.). При разви113 тии процессов азотфиксации или денитрификации в сложном компосте происходит окисление и восстановление соединений азота, и параллельно с ними окисляются и восстанавливаются отдельные химические элементы с переменной валентностью – марганец, железо, сера и т.д. Разные процессы в сложном компосте совершаются в основном как специальными группами живых организмов, так и случайными, что определяет основу важного свойства таких эколого-трофических групп, выполняющих роль стабилизирующего фактора в течение весьма короткого промежутка времени: при формировании новых условий развития (за 4-6 месяцев) образуются новые экологические ниши, возникают новые соединения органического и органоминерального комплексов (Волошина, 2006; Волошина, Гукалов, 2009; Белюченко, 2013). В начале образования сложного компоста могут формироваться участки с различным содержанием отдельных элементов (фосфора, кальция, серы и др.), включая и органические соединения. Использование в сложном компосте отходов типа осадков сточных вод, куриного помета, свиного навоза, фосфогипса и некоторых других отходов будет расширять его экологические ниши и способствовать увеличению, с одной стороны, численности популяций отдельных организмов, и с другой, – видового разнообразия (Белюченко, 1991а; Белюченко, 1992; 1997). Формирование сложных компостов в зависимости от природно-хозяйственных условий способствует развитию разнообразных сообществ живых организмов. Естественно, что во многих отходах встречаются весьма активные группы живых организмов, осуществляющих фиксацию азота. Сюда можно отнести клубеньковые бактерии, азотобактер, некоторые актиномицеты; их определение осуществляется из расчета минимум сотен тысяч клеток на 1 г образующегося сложного компоста. Для выявления клеток микроорганизмов не всегда мы можем отбирать и анализировать пробы субстрата, особенно на начальных стадиях формирования сложного компоста. Оценка наличия в сложном компосте тех или иных групп микроорганизмов, учитывая сезонные колебания погоды, адсорбцию почвенными частицами, сукцессионные колебания их состава и обилия, весьма сложна и требует периодического отбора значительного количества образцов, повторения анализа при проращивании их на различных средах, более тщательного исследования на разных ти114 пах субстратов (Белюченко, Мокрецов, 1991 б; Белюченко, Волошина, 2007). В сложных компостах, отличающихся определенным разбросом условий физических, химических и биологических составляющих, количество любых живых организмов, свойственных данной географической или физической территории, в расчете на 1 г субстрата будет различным. Внедрение в сложный компост органических отходов привносит в него различные виды живых организмов, поскольку далеко не все его экологические ниши заняты, и именно с этим обстоятельством связаны различия в интенсивности минерализации. Иными словами, сложный компост формирует определенную емкость органических веществ, представляющих среду обитания для конкретных групп живых организмов (Белюченко, Мокрецов. 1991 б). Таким образом, сложный компост формирует собой многовариантный гранулометрически и химически органоминеральный субстрат и поэтому в связи с этим не представляет собой равновесной среды обитания. Именно многообразие структурированности сложного компоста позволяет анализировать его как субстрат, различающийся условиями формирования сообществ живых организмов, которые найдут свои экологические ниши во множестве возможных сочетаний органических, органоминеральных и минеральных частиц. Живые организмы в сложном компосте осваивают каждую частицу органического вещества, и их размеры и формы позволяют адаптироваться к самым разным условиям среды. Отличаясь высокой скоростью размножения и различными сроками перехода к покою при неблагоприятных условиях, живые организмы способны быстро осваивать органические вещества, составляя отдельные микроколонии из клеток разных видов, которые могут развиваться относительно изолированно во многих природных условиях (Белюченко, 2013). Большое значение в круговороте отдельных элементов и веществ имеют те популяции живых организмов, которые отличаются высокой активностью. Например, при изучении сложного компоста из него были выделены актиномицеты, чья активность связывается с распадом гумусовых веществ и частично с азотным балансом (Белюченко, Мокрецов, 1991 б). Численность актиномицетов в компо- 115 сте варьирует весьма широко и зависит от соотношения и разнообразия отходов (табл. 5.7). Таблица 5.7. Доля наиболее распространенных актиномицетов в сложном компосте,% Род Micromonspora Nocardia Nocardioides Streptomyces Основные виды Сложные компосты с участием разных отходов Полуперепревший Отходы очиСвиной навоз навоз КРС стки семян 11 12 9 23 26 19 6 9 6 52 47 58 92 94 92 При исследовании сложных компостов, в которых значительное место занимают отходы злаков, включая отходы от очистки их семян, численность актиномицетов по подсчетам основных родовых комплексов была средней. При значительном участии свиного навоза общая доля актиномицетов составила также 92%, но с заметным увеличением представителей рода Streptomyces. В сложном компосте, где органическая масса была представлена полуперепревшим навозом КРС, доля родовых комплексов актиномицетов была более выровненной (Белюченко и др., 2006 е, з). Исходя из полученных данных можно заключить, что нет необходимости изучать все виды актиномицетов. Объективно в сложном компосте следует изучать доминирующие виды организмов, определяющие развитие отдельных процессов. Мы часто принимаем условный критерий численности живых организмов (например, на 1 г сложного компоста приходится около 1 млн бактериальных клеток). Для грибов и актиномицетов принимаются другие экологические критерии с учетом их численности и размерности, а также особенностей их метаболизма. Обычно их численность составляет порядка 10 000 клеток на 1 г сложного компоста (Белюченко, Мокрецов, 1991 а). Весьма важные для развития микроорганизмов биологически активные вещества (аминокислоты, антибиотики, стимуляторы и ингибиторы роста, витамины, токсины и т.д.) требуют серьезных исследований. Первое место занимают газообразные вещества, которые отличаются быстрым перемещением и влиянием на газообмен. Изучение функциональной роли микроорганизмов в строении 116 сложных компостов получило еще недостаточное развитие, хотя оно имеет важное практическое и теоретическое значение. Сдерживание минерализации органического вещества и трансформации минерального азота, а также другие проблемы в процессе развития сложного компоста возникают именно по мере превращения сложных соединений, формирующихся при объединении многих отходов в общий субстрат. Проанализировав основные процессы, прохождение которых немыслимо без активности микроорганизмов, следует отметить в первую очередь переработку ряда отходов и их превращение в источник энергии для различных организмов и дальнейшей их трансформации (Белюченко, 1991б). Сложный компост по своему составу представляет собой трехфазную систему, способную к созданию среды обитания для различных групп организмов, в том числе для бактерий, грибов, актиномицетов, микро- и мезофауны и других таксонов. Субстрат сложного компоста по сути аналогичен высокопродуктивной почве, но отличается от неѐ некоторыми улучшенными условиями для жизни отдельных родов, видов и популяций живых организмов, образующих микроколонии из различных таксонов. Развитие колоний микроорганизмов в разных типах сложных компостов имеет важное значение, поскольку активирование их развития во времени и в пространстве в силу повышенной концентрации органического вещества и широкого спектра органических соединений: аминокислоты, белки, крахмал, липиды, нуклеиновые кислоты, ферменты, антибиотики, витамины, целлюлоза, лигнин, хитин, как и направленность весьма важных процессов (аммонификация, азотфиксация, гидролиз органофосфатов, трансформация многих органических и минеральных веществ) находятся в тесной взаимосвязи (Белюченко и др., 2006 д). Поверхность субстрата сложного компоста отличается значительным физическим, химическим и биологическим разнообразием и потому способствует сосуществованию различных по функциям популяций живых организмов, которые в сложном компосте находят десятки разнообразных новых экологических ниш, различающихся своим химизмом, физическим составом, содержанием питательных веществ и реакцией среды. Многие виды живых организмов в сложном компосте находят вполне удобные экологические ниши для своего функционирования и размножения, включая бактерии, грибы, одноклеточные водоросли и актиномицеты. В сложных компостах встречаются виды микроорганизмов, пребывающие в нем временно, особенно фитопатогены ризо- и филлопланы, которые 117 способны осваивать растительные остатки (Белюченко, Волошина, 2007 а; Белюченко, 2013). Структура сложного компоста. Зрелый сложный компост представляет собой почвоподобное образование, значительно обогащенное органическим веществом (до 20% и выше) с нейтральной реакцией раствора (рН 6,8-7,2), включением значительного количества полуторных окислов, активно сцепляющих друг с другом различные минеральные и органические частицы. В создании подобного почве образования в системе сложного компоста активно участвуют живые организмы, где продукты их жизнедеятельности выполняют цементирующую роль в объединении множества мелких частиц. Например, многие виды бактерий, одноклеточных водорослей и грибов образуют слизи пептидного и углеводного состава и вместе с глинистыми частицами формируют водопрочные образования размером до 1-2 мм. Большую роль в этом выполняют микроскопические грибы и некоторые виды одноклеточных водорослей, которые заметно влияют на оструктуривание субстрата сложного компоста через выделение полисахаридов, склеивающих различные минеральные и органические частицы, укрепляя их механически своими гифами и нитевидными талломами. В основном такая работа выполняется в верхнем слое субстрата от 0 до 10-15 см с перемешиванием сложного компоста каждые 20-25 дней в теплый период года, что ускоряет образование его почвоподобных структур при активном развитии грибов и одноклеточных водорослей (Белюченко, Мокрецов, 1991 б; Белюченко, Назарько, 2000; Белюченко и др., 2007 г). Активную роль в формировании почвоподобных структур в сложном компосте выполняют мелкие одноклеточные водоросли на кислых субстратах (например, фосфогипс и др.), где они, выделяя слизистые вещества, объединяют частицы органоминеральной природы; своими нитями они связывают и уплотняют их, делая такие объединения достаточно устойчивыми к воде. Некоторые живые организмы выделяют весьма активные вещества, разрушающие комковатую структуру сложного компоста, и не способствуют еѐ укреплению. В итоге сложные компосты являются хранилищем различных видов живых организмов в определенных условиях и представляют собой широкий спектр их сообществ. Учитывая эти обстоятельства, из такой коллекции можно отбирать пробы субстрата и изучать наиболее ценные виды микроорганизмов: бактерий, грибов и водорослей для сравнения с природными объектами, каки118 ми являются ненарушенные территории (Белюченко, Пономарева, 2005). Микроорганизмы, особенно бактерии и микроскопические грибы, способствуют трансформации питательных веществ и протеканию окислительно-восстановительных процессов при формировании сложного компоста. Влияние микроорганизмов на подстилающие слои в сложном компосте осуществляется вначале через органические вещества, которые являются результатом разложения растительных остатков, а также при распаде минералов вследствие экстракции из них фосфора, кремния, железа, марганца и других элементов (Белюченко, Пономарева, 2006). Биологические образования в сложном компосте (микроорганизмы, растительные и животные организмы) в процессе разложения органических веществ освобождают прежде всего органический углерод и азот, а затем серу, фосфор и кальций, осуществляя весьма важную системную функцию – накопление наиболее ценных и основополагающих для строительства организма питательных веществ. Особое значение имеют микроорганизмы ризопланы, которые концентрируются на поверхности живых корней, поставляют легкодоступные макроэлементы и многие активные вещества, включая ферменты, ауксины, витамины и другие соединения. Например, в сложном компосте, особенно в его гумусе, азота содержится меньше, чем в живых организмах (например, в бактериях), и в них он находится в форме структурных органических веществ, распадающихся и потребляемых относительно медленно. Фиксация атмосферного молекулярного азота прокариотными организмами в сложном компосте является весьма важным источником его накопления после внесения в верхний слой почвы. Такое обеспечение растений азотом имеет системное значение, и потому биологическая роль сложного компоста является весьма важной. Азотфиксирующие бактерии – симбиотические и несимбиотические – в сложном компосте развиваются с различной интенсивностью. Несимбиотические бактерии также зависят от комплексных отходов, поскольку получают от них доступный органический углерод, и их роль в фиксации азота весьма значительная (Белюченко, Пономарева, 2006). Фосфором обеспечивают эукариотные живые организмы, включая и грибы, формирующие с внесением сложного компоста в верхний слой почвы на корнях растений микоризу. Микоризные растения способны утилизировать труднодоступные соединения фосфора, а не образующие микоризы растения хуже обеспечены 119 этим элементом. Грибы-микоризообразователи с внесением сложного компоста поставляют для растений из почвы не только кальций и фосфор, но и азот, серу, калий и многие микроэлементы – марганец, медь, цинк, кобальт. Микроорганизмы сложного компоста разнообразят таким образом «рацион» питательных веществ для растений в верхнем слое почвы (Волошина, Гукалов, 2009). Сложный компост и органические загрязнители. Большое влияние на развитие живых организмов в сложном компосте оказывают витамины, ферменты, стимуляторы роста и другие биологически активные вещества. Случаи утомления почв как следствие токсикоза при частом выращивании одной и той же культуры (например, картофеля, подсолнечника и т.д.) связаны с накоплением в почве грибов-токсинообразователей, относящихся к сапротрофам. В простых органических отходах микотоксины выделяются мелкими микроскопическими грибами, представляющими опасность для живых организмов, включая и человека. Использование в таких случаях сложного компоста для удобрения почв действие микотоксинов сглаживает, или их проявление полностью снимается (Белюченко и др., 2008г). Токсичность грибов в системе сложного компоста проявляется нередко в задержке прорастания семян. Определенную роль играют фитогормоны, которые при низких концентрациях в сложном компосте оказывают влияние на регуляцию отдельных физиологических процессов, например, роста бактерий. К этой группе относится этилен, который производится некоторыми грибами, в частности дрожжевыми. Микроскопические эукариоты, как источники органического углерода, являются важнейшими продуцентами этилена на средах с гуматами и фульвокислотами. Сапротрофы способны выделять также другие газообразные вещества, оказывающие токсическое воздействие на растения и их микробные сообщества. Некоторые господствующие в сложном компосте грибы и бактерии образуют ауксины, продуцентом которых в первую очередь выступает азотобактер, вызывающий у некоторых живых организмов снижение их роста. Отдельные микоризообразующие грибы и бактерии выделяют фитогормоны цитокинины, задерживающие старение клеток и выступающие в основном в качестве регуляторов роста (Белюченко, 1990; Волошина, 2006) При внесении в почву сложного компоста их микробные сообщества очень быстро начинают взаимодействовать. Их взаимовлияние сказывается на прорастании семян отдельных видов растений, развитии спор микроорганизмов, росте корней высших расте120 ний и на других процессах, что зависит также от складывающихся температурных, водных, воздушных и пищевых условий вегетации. Влияние верхнего слоя почвы на эти процессы в жизни растений осуществляется через взаимодействие живых организмов обеих сред – почвы и сложного компоста. Такое влияние на развитие растений проявляется в процессе формирования сложных консорций и объединения биокосных систем. Микотрофные организмы способны к широкой адаптации, и нередко отмечаются корреляции между ростом и развитием растений и микориз, связанных с водновоздушным режимом в почве и способствующих обогащению их питательными веществами (Белюченко, 1991 г; Кураков, Белюченко, 1994). Важным условием развития сложных компостов является температура в весенне-осенний период: весной ускоряет их формирование через развитие популяций живых организмов, а осенью весьма заметно их тормозит. Увеличение популяций живых организмов и их активности весной идет параллельно с нарастанием температуры сложного компоста, его увлажнением и усилением емкости пищевого режима. В осенний сезон развитие популяций живых организмов связано с увеличением количества растительных отходов (сахарная свекла, подсолнечник, смет недоразвитых семян и т.д.), с одной стороны, а также увлажнением и сохранением еще не промытых дождями многих биологических выделений, особенно из влажных отходов (ботва сахарной свѐклы, овощные культуры, капуста, томаты, плодовые и др.), с другой. Весьма большие по численности прокариотные и эукариотные живые организмы еще больше увеличивают своѐ обилие в развивающихся в этот период сложных компостах, что способствует консервированию их азотной и органической углеродной составляющей (Белюченко, Подаруева, 1992; Белюченко и др., 2013 б). Варьирование числа видов и популяций живых организмов в сложных компостах связано с периодическими изменениями отдельных характеристик – колебаниями количества этилена, варьированием концентрации токсических соединений и др. Наличие в фосфогипсе фосфора, сульфидов, оксидов железа, кремнезема и ряда полуторных окислов способствует активной минерализации клеток отмерших организмов (Белюченко и др., 2006 г). Важное значение в решении экологических проблем трансформации большинства отходов в верхнем слое почвы принадлежит живым организмам. Применение сложных компостов в качестве метода очистки почвы от тяжелых металлов, нефтяных загрязне121 ний и т.д. является весьма эффективным способом охраны ландшафтных систем. Одним из вариантов ускорения гумусообразования отходов является использование эффективных живых организмов в сложных компостах, ускоряющих их созревание, увеличивающих содержание в них азота, фосфора, кальция и органических соединений. При внесении сложного компоста в верхний слой почвы поступают одновременно и органоминеральные удобрения, и разнообразные живые организмы, способствующие восстановлению еѐ плодородия, подавлению развития патогенных организмов, повышению урожайности сельскохозяйственных культур и их способности переносить неблагоприятные условия (Кураков, Белюченко, 1994). С поступлением в сложный компост относительно свежих растительных (остатки фуража, смѐт после очистки зерна и т.д.) или минеральных отходов (типа мела, фосфогипса и др.) микроорганизмы достаточно быстро трансформируют их с выходом на равновесный уровень. Этот процесс протекает особенно активно, если в отдельные участки сложного компоста включаются разнообразные отходы трофически и экологически способные трансформировать поступившие в него дополнительные органические вещества, особенно загрязняющие. Чем разнообразнее набор живых организмов в сложном компосте, тем больше его способность трансформировать поступающие в него различные поллютанты. Обычно биохимические процессы в сложном компосте дублируются несколькими видами живых организмов, и их видовой и популяционный запас будет способствовать выполнению важных функций в формирующейся экосистеме – еѐ очищению от загрязнителей (Белюченко, 2011 в). Основной функцией живых организмов в сложном компосте является разрушение поступивших в него органических загрязнителей, что выполняется живыми микроорганизмами в сочетании с почвенными животными. Именно эта роль живых организмов в трансформации веществ в сложном компосте нуждается в серьезном исследовании. В последние 20-30 лет в отходы поступают десятки специфических веществ (нефть и пластмасса, тяжелые металлы и гербициды, пыль и сажа, газовые выбросы и т.д.), и наша задача в организации сложных компостов состоит в таком их сочетании, которое способно было бы создать благоприятные условия для развития будущего качественного субстрата. Трансформация этих отходов с наименьшими затратами для нормального функционирования сложного компоста при его внесении в верхний слой почвы является весьма важной задачей при одновременной утилизации вносимых веществ (Волошина, 2006). Подготовка сложного компоста является 122 важнейшим приемом использования органических и минеральных отходов различных производств, способствующим сохранению питательных соединений при разложении отдельных веществ и увеличению доступности элементов питания растениям. Внесение в почву созревшего сложного компоста повышает в ней биологическое связывание азота и ускоряет обезвреживание загрязнителей, что основано на способности различных штаммов живых организмов в процессе своей жизнедеятельности разлагать или усваивать в своей биомассе многие органические загрязнители. В процессе биологического обезвреживания происходит вторичное загрязнение атмосферного воздуха продуктами разложения органического вещества – аммиаком, аммонием и сероводородом. Биологическая очистка, как правило, используется для нейтрализации органических токсикантов и тяжелых металлов в сложном компосте, а также азотных и фосфорных соединений с усилением их биодеградации, биопоглощения и перераспределения загрязнителей (Кураков, Белюченко, 1994). При трансформации некоторых отходов могут формироваться весьма вредные вещества и с высокой степенью токсичности. Во избежание такого состояния необходимо вести постоянный мониторинг за процессами преобразования отдельных отходов. В группе исследователей для создания сложных компостов необходимы микробиологи и химики-органики, способные создать банк микроорганизмов и субстратов для конкретной зоны с возможными изменениями их состава, а также с оценкой их развития для предупреждения последующего накопления патогенных для животных и человека организмов. Важное значение имеет очистка от различных загрязнителей, а также отдельных органических отходов, включая тяжелые металлы, нефтяные загрязнения и др. При снижении количества и токсичности органических загрязнителей велика роль живых организмов. Важная функция сложных компостов определяется именно работой живых организмов при их участии в круговороте отдельных веществ: азота, углерода, кальция, серы и фосфора (Волошина, Гукалов, 2009). Разложение органических загрязнителей проходит при достаточно высокой температуре и влажности и используется во всех случаях, когда микробное сообщество сохранило свою жизнеспособность, а также популяционное и видовое разнообразие. В целом этот процесс проходит на основе внесения сложного компоста относительно медленно и в то же время с достаточно высокой эффективностью. С этой целью на загрязненных полях выращивают бобо123 вые, сорго, кормовой горох, люцерну, донник, ячмень, овес и другие полевые культуры (Кураков, Белюченко, 1990 б). Простейшими способами активизации живых организмов в сложном компосте являются периодические внесения углеводных и белковых добавок и механическое перемешивание отходов. Важным условием размножения микроорганизмов в формируемой смеси отходов является создание в ней оптимальной температуры и влажности. Эффект микробиологической деградации загрязняющих окружающую среду веществ в отходах достигается за счет активации формирующихся разнообразных биосистем. В принципе возможна деградация любых веществ с разной скоростью. Формирование и внесение сложного компоста в почву является необходимым условием биологической очистки почвы от органических загрязнителей. Условия нейтральной среды в основной части отходов является самой подходящей для их биологического разложения (Белюченко, 1990). Интродукция специально подобранных видов микроорганизмов создает благоприятный режим для трансформации и разложения органических отходов, что лежит в основе разработки анаэробных технологий их утилизации по аналогии с отходами животноводства. Результаты таких исследований подтверждают возможность использования с этой целью сложных компостов с широким спектром формирующихся микробоценозов (Назарько, Белюченко, 2000). Применение отдельных отходов для получения сложных компостов через сочетание в них минеральных и органических соединений, а также кислотных и щелочных свойств способствует распаду токсичных соединений (например, влияние серной и других кислот на распад ПАВов, нефтяных отходов, перевод ТМ в слабоподвижные формы через их осаждение полуторными окислами и т.д.) и усиливает самоочищающую способность почвы. Невозможность самоочищения почвы в связи с еѐ перегрузкой поллютантами (например, тяжелыми металлами и нефтяными загрязнениями) без применения сложных компостов превращает такие территории в техногенные пустыни. Непродуманная программа улучшения почв является одной из основных причин неприятия предложенных мер и становится пустой тратой средств и времени (Белюченко, 1991 б). Сложные компосты и способы переработки отходов. Во многих странах различные отходы промышленности переводят во вторичное сырье. В России, к сожалению, мусор продолжают складировать, что несомненно ведет в целом к ухудшению экологиче124 ской ситуации. Переработка отходов – процесс технологический, ведущий к изменению их физического, химического и биологического состояния, направленный на обезвреживание и безопасное их удаление от населения. Технологии переработки различных отходов базируются на механических, химических, биохимических и других процессах с активным участием различных экологических групп почвенных микроорганизмов (Белюченко, 1992). В формировании и созревании сложных компостов важную роль в поддержании их устойчивости и функционировании при внесении затем в верхний слой почвы принадлежит живым организмам – бактериям, грибам, актиномицетам, одноклеточным водорослям, микро- и мезофауне. Функциональная роль этих организмов на суше в 700-800 раз выше, чем в водных системах, а в сложных компостах уровень их метаболизма в 800-1000 раз выше, чем в почве. Оценивать время массового размножения живых организмов при формировании сложных компостов весьма важно, поскольку именно через этот показатель следует определять сроки их внесения в почву. Значительную часть биомассы сложного компоста составляют микроорганизмы (бактерии, микроскопические грибы, водоросли, простейшие), характерные в основном для почвы и органических отходов. Увеличение численности живых организмов в сложных компостах расширяет экологические ниши почв при их внесении и в перспективе определяет видовое разнообразие высших организмов – растений и животных (Kurakov et al., 1994; Щербина и др., 1995; Белюченко, 2013; 2014). Обилие живых организмов в сложных компостах заметно превосходит их почвенный пул. Количество органического вещества и органического углерода, в частности в сложных компостах, существенно превышает их количество в почве, что является энергетическим материалом для жизнедеятельности живых организмов. Следует учитывать, что живые организмы в сложных компостах существенно превышают по биогеохимической и физиологической активности растения и животных благодаря более высокому отношению их поверхности к объему (например, интенсивность дыхания аэробных бактерий на 1 г биомассы в сотни раз выше, чем у человека, а в слое 0-15 см на 1 га плодородной почвы оно равноценно метаболизму тысяч людей), а также высокой мобильности метаболизма. Микроорганизмы широко используют большое число различных соединений и отдельных веществ, которые недоступны высшим таксонам (Кураков, Белюченко, 1990 а, б; 1994; Волошина, Гукалов, 2009). 125 У мелких живых организмов границы освоения жизни значительно шире, чем у высших таксонов, и они способны функционировать в весьма больших пределах температур (от -13 до +110°С), осмотического давления – от бидистиллята до концентрированных солевых растворов, уровня рН – от 1 до 13, влажности (от -20 до +90%) и в других экстремальных условиях (Донец, Белюченко, 2000; Назарько, Белюченко, 2000; Белюченко, 2009). Многокомпонентный сложный компост представляет собой хорошую среду для развития различных нижнеподстилочных видов мелких живых организмов, продуцирующих ферменты, витамины, аминокислоты и другие активные вещества. По своим химическим и физическим свойствам сложные компосты являются гетерогенными и полидисперсными временными системами и представляют собой богатый комплексный субстрат, который обеспечивает пищевыми ресурсами весьма разнообразный набор живых организмов, активно использующих отходы животных, осадки сточных вод, органические выделения прорастающих семян и спор высших и низших растений (Кураков, Белюченко, 1990 б). Активность развития живых организмов в сложных компостах увеличивает разнообразие химических реакций между органическими и минеральными отходами и ускоряет превращение их в единую биогеохимическую систему. Микроорганизмы в сложных компостах являются основными регуляторами формирования в них главных парниковых газов – метана, окислов азота, двуокиси углерода. Использование сложных компостов для улучшения верхнего слоя почвы (0-20 см) способствует его долговременному (на 5-6 лет) обогащению органическими, азотно-фосфорными и кальциевосернистыми соединениями и сохранению концентрации полуторных окислов минеральных соединений, способствующих экономному расходованию питательных веществ. В связи с накоплением значительного количества органических веществ сложный компост существенно превосходит по набору видов и обилию их отдельных популяций окружающие системы, и потому верхний слой почвы активно пополняется живыми организмами, что активизирует обмен энергией и веществами между различными организмами суши, атмосферы и гидросферы, существенно расширяя их экологические ниши во всех звеньях ландшафтных систем (Белюченко, Подаруева, 1990; Кураков, Белюченко, 1990 а; Белюченко, 2013). Живые организмы и стабильность органического вещества в сложном компосте. Микробоценозы в сложном компосте, особенно в начальный период его формирования, весьма разнообразны 126 и характеризуются различными условиями обитания. Они могут и разрушать органическое вещество, и его стабилизировать. В биомассе живых организмов концентрация органического вещества доходит до 10-14% и больше, а время круговорота органического углерода и азота составляет примерно 6 лет. Если в сложном компосте доля глинистой фракции значительная, то активность и защищенность живых организмов выше и продолжительность их развития существенно усиливается. В сложном компосте разложение органического вещества живыми организмами зависит от активности ферментов, функционирующих относительно короткое время (до нескольких суток). Внеклеточные ферменты, использующие свободную энергию, сорбируются твердой фазой и способствуют разложению органических веществ вблизи их источника на расстоянии до 30-50 мкм. Удаление живых организмов от субстрата в результате перемешивания сложного компоста, становится малоэффективным, и органическое вещество сохраняется из-за недоступности воздействия на него внеклеточных ферментов (Belyuchenko, 2014 а). Глинистые минералы в сложных компостах по-разному связывают метаболиты, снижают рост живых организмов, но не приводят к обезвоживанию их клеток. Диаметр бактерий колеблется от 0,15 до 4,0 мкм, а гифов грибов – от 3 до 8 мкм. Гифы грибов редко встречаются в микропорах, тогда как бактерии их заселяют и защищаются от ряда хищников. Грибы по сравнению с бактериями имеют более высокую защищенность от гибели из-за тесного взаимодействия с глинистыми минералами и почвенными агрегатами (Белюченко и др., 2002). Гифы грибов способствуют построению мостиков между внутренними и поверхностными слоями различных отходов и меньше зависят от пространственного их размещения. Мобильность многих живых организмов в сложном компосте обусловлена органическими веществами, при этом в первую очередь используются близко расположенные отходы. Грибы выделяют различные формы ферментов (например, пероксидаз), редуцирующих лигниновые комплексы. Бактерии продуцируют липазы и целлюлазы, столь важные для разложения нелигниновых отходов. Составной частью гуминовых новообразований являются мономеры – производные лигниновых полимеров. Достаточно прочно и долго они сохраняются в сложном компосте, а затем и в почве – в стенках грибных клеток, содержащих меланин и хитин. Весьма активно метаболизируются фосфолипиды, чем обусловлено слабое соответствие аккуму127 ляции органического углерода приросту органического вещества после отмирания (Кураков, Белюченко, 1994; Назарько, Белюченко, 2000; Белюченко, Пономарева, 2006; Белюченко, 2009 а; Belyuchenko, 2014 г). Роль микоризных грибов в стабилизации органического углерода в сложных компостах весьма существенная, поскольку они являются облигатными симбионтами, что способствует освоению растениями большого объема почвы. Это сказывается на накоплении органического углерода в биомассе самих микоризных грибов (в них содержится примерно до 1000 кг углерода на 1 га). В микоризных грибах углерод содержится также в форме гликопротеина (гломалин), устойчивого к распаду. Микоризные грибы в сложных компостах своими гифами вместе с мелкими корнями растений образуют своеобразную сеть, опутывающую и сплетающую почвенные частицы и способствующую стабилизации органического вещества в форме агрегатов (Назарько, Белюченко, 2000; Belyuchenko, 2014 е). Роль бактерий также велика в трансформации органического вещества в сложном компосте. Например, автотрофная фиксация бактериями СО2 доходит до 5% от уровня дыхания почвы, и фиксированный из атмосферы углерод в основном аккумулируется в массе бактерий. Живые организмы в сложных компостах, использующие в качестве источника питания органический углерод, служат основным биотическим агентом трансформации органического вещества, а их биомасса является основой обновления его в почве. Разлагая и окисляя органические субстраты, живые организмы в сложных компостах редуцируют многие соединения до более простых, которые реутилизируются или подвергаются химической и физико-химической переработке в основном с микробными метаболитами (Назарько, Белюченко, 2000; Пономарева, Белюченко, 2005). В заключение следует отметить, что в сообществах живых организмов в сложных компостах большое значение имеет варьирование различных их форм и таксонов, что зависит в основном от соотношения органического углерода и доступного азота. При благоприятных условиях при внесении в почву сложного компоста преобладают мелкие живые организмы, которые отличаются высокой скоростью размножения за весьма короткий срок и активно наращивают свой популяционный состав. Численность живых организмов в сложном компосте по сравнению с воздухом, водой и почвой значительно выше (в 1 г сложного компоста количество клеток достигает нескольких миллиардов, длина гиф грибов составляет тысячи мет128 ров, а их общая биомасса доходит до 2-3 десятков тысяч тонн в расчете на 1 га почвы). Круговороты всех зольных элементов, а также органического углерода и азота проходят через всю систему развития сложного компоста. Отношение C:N в хорошо подготовленном сложном компосте значительно выше соотношения 25:1, когда доминируют грибы, что указывает на его существенную обеспеченность азотом (Белюченко, Мокрецов, 1991 а). В сложном компосте, составленном из различных органических и минеральных отходов, при узком соотношении С:N (20:1 и меньше) доминируют прокариоты (бактерии), за которыми стоит в основном фиксация азота, нитрификация, денитрификация, окисление серы и металлов, образование и использование метана, дыхание серное и сульфатное. Круговорот серы и азота в основном контролируется прокариотами, которые в принципе способны поддерживать передвижение всех элементов и сохранять биосферу. С такой задачей эукариоты не могли бы справиться, поскольку они в основном специализируются на фотосинтезе, развитии аэробных условий существования и противостоянии прокариотам. С учетом особенностей использования органического углерода с внесением в почву сложных компостов эукариоты и прокариоты различаются по размещению и их стабилизации, а также особенностям метаболизма в накоплении ими биомассы. При высокой эффективности использования органического углерода (нарастание биомассы) его меньше расходуется на дыхание, он меньше уходит в форме СО2 в атмосферный воздух и лучше сохраняется в сложном компосте. При недостатке азота рост живых организмов (эукариоты и прокариоты) в сложном компосте составляет всего около 20-30% от нормы, а при увеличении его количества за счет сульфата аммония заметно повышается ещѐ на 20-25% (Белюченко, 1997). 129 Глава 6 СЛОЖНЫЙ КОМПОСТ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ НИШИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ В АГРОЛАНДШАФТЕ COMPLEX COMPOST AND ECOLOGICAL NICHE OF LIVING ORGANISMS IN AGROLANDSCAPES Ecological niche acts as an important evolutionary function of living organisms in the ecosystem and determines its properties, which are caused by the nutrient requirements, mobility, ability to reproduction, biochemical features, structural features limits tolerance to environmental conditions, opportunities performing certain actions in the specific biocenosis; in the process of divergence (species, their internal and external properties and abiotic characteristics) features of ecological niches are changed , there are new kinds of living organisms and, of course, the formation of new ecological niches. Экологическая ниша является важнейшей эволюционной и экологической характеристикой живых организмов в экосистеме, определяя их свойства, обусловленные потребностями в питательных веществах, подвижность, способность к размножению, биохимические возможности, структурные особенности, пределы толерантности к условиям среды, возможность осуществлять определенные действия в конкретном биоценозе в совокупности их взаимодействия; в процессе дивергенции (видов, их внешних и внутренних свойств и абиотических характеристик) изменяются особенности экологических ниш, появляются новые виды живых организмов и, естественно, формируются новые экологические ниши (Белюченко, 2013; 2014). История вопроса. В экосистеме положение любого вида организмов определяется популяцией(-ями) с конкретным набором типов устойчивости к абиотическим факторам: во-первых, набором связей с популяциями других видов, во-вторых, участием в выполнении общих функций экосистемы, в третьих, регулирующим влиянием на биокосную систему, в четвертых, совокупностью морфологических характеристик – цвет и форма листьев, цветков, плодов и кроны. Продолжительность существования вида в экосистеме пре- 130 допределяет его устойчивое место в структуре биосистемы или его экологическую нишу (Белюченко, 1994). Впервые понятие «ниша» использована Р. Джонсоном (1910) при характеристике распределения отдельных таксонов с учетом абиотических и пищевых ресурсов (Gaffney, 1975). Весьма широкое распределение получил этот термин после публикации американского зоолога Дж. Гриннеля (1914), изложившего свое видение существования ниши калифорнийского пересмешника (Toxostoma redivivum) в сообществе густых зарослей кустарника (чаппарали), обладавших комплексом условий (температурный режим, пища, укрытие и др.), наиболее благоприятных для жизнедеятельности указанного вида (Grinnell, 1917; 1924). Понимание ниши Гриннелем охватывало абиотические и биотические условия существования конкретного вида (Whittaker et al., 1973). Определение Ч. Элтона (1927) в основном касалось понятия экологической ниши как типа питания, или еѐ места в трофической цепи. Достаточно полная трактовка экологической ниши дается в работе Хатчинсона (1957), определившего данное понятие как сумму связей вида с условиями среды и другими формами живых организмов с учетом многомерного пространства, учитывающего уровни требования таксона к отдельным экологическим факторам. Многомерное пространство Хатчинсон определил как фундаментальную нишу, а в реальной экосистеме – реализованную нишу, ограниченную в силу проявления конкурентных взаимоотношений в экосистеме. Например, вид всегда имеет конкурентов, а потому само понятие «ниша» оценивается по наличию в экосистеме, еѐ перекрывающих видов вследствие проявления конкуренции (Гиляров, 1978). Основной вопрос о требованиях вида к биотическим и абиотическим условиям определяет реально все концепции об экологических нишах в основном как аутэкологический аспект проблемы; на втором плане остается влияние вида на саму систему. Многие исследователи описали экологическую нишу Г. Хатчинсона (1957) с использованием теории множеств, определивших этот показатель как весь диапазон условий, который позволяет жить и воспроизводить себе подобные популяции. Однако ниша Хатчинсона не оценивает поведенческую характеристику вида; сам автор оценивает местообитание вида в пространстве через его деление на фундаментальную и реализованную ниши (Белюченко, 2003). По-своему оценивает положение экологической ниши Одум (1959), вкладывающий в это понятие: 1) занимаемое таксоном (ви131 дом или популяцией) физическое пространство, 2) место вида в системе внешних факторов и 3) функциональную роль вида в системе. Эта позиция Одума относительно правильно определяет понятие экологической ниши как интегрированной оценки еѐ места в биоценозе. Ю. Одум (1959) определил экологическую нишу как положение, или статус, организма в сообществе, вытекающее из его структурных адаптаций, физиологических реакций и специфического поведения (унаследованного или приобретенного»). Одум подчеркивает, что «экологическая ниша организма зависит не только от того, где тот живет, но и от того, что он делает». По Одуму, место, где организм живет или где его можно встретить, – это его местообитание, его адрес, а ниша – его профессия, объединяющая все стороны жизнедеятельности вида. Э. Пианка (1981) определяет экологическую нишу как «общую сумму адаптаций организменной единицы или как все разнообразные пути приспособления данной организменной единицы к определенной среде». Вполне можно вести разговор о нише особи, популяции или вида. Различия между средой обитания и нишей организма состоят в том, что через нишу организм способен осваивать свою среду, и подразумевает возможные пути еѐ фактического использования (Селиванов, 1981; Шилов, 1997; Чернова, Былова, 2007). Понятие ниши связано с явлением межвидовой конкуренции, и в значительной степени еѐ связывают с характером использования ресурсов, которым уделяется первостепенное внимание. Все, что связано с использованием экологической ниши вида, легко можно использовать в научной и практической работе. Это помогло создать богатую научную литературу, затрагивающую взаимоотношение различных ниш в конкурентных сообществах. Концепцию экосистемы следует считать основой экологической парадигмы, а саму систему – главным объектом изучения общей экологии. Все сельскохозяйственные растения связаны с окружающей средой функциональной связью, используют из неѐ пластические вещества и обогащаются продуктами жизнедеятельности, образуя тем самым некое функциональное единство, представленное своеобразной экосистемой с устойчивым множеством взаимодействующих между собой живых организмов в конкретной среде. Экологическая ниша представляет собой безмерную категорию и применима к любой надорганизменной системе, обладающей размерностью географического уровня. Экологической нишей не может быть от132 дельный организм (бактерия, водоросль и т.д.), но физико-химикобиологический комплекс биотических и абиотических составляющих формирует устойчивое множество взаимодействующих структур с введением в их состав новых культур (Белюченко, 2003; 2013). Представление об экологической нише у растений складывается из группы отдельных механизмов (Гиляров, 1978; Работнов, 1985; Миркин, 1985; Онипченко, 1987; 2011; 2013), включая различия между видами по формам и источникам используемых ресурсов, их пространственной локализации, по времени использования и т.д. Конкретные виды растений занимают в сообществах определенные экологические ниши. Вариация экологических ниш по используемым ресурсам в ходе сукцессии усиливается. В качестве примера можно привести различия между растениями по использованию отдельных форм азота. С учетом потребляемого азота растения делятся на группы, имеющие симбиотические связи с азотфиксирующими прокариотами и не имеющие такого симбиоза, и такие группы растений в ценозах занимают различные экологические ниши. Кроме того, виды растений различаются по способности поддерживать ассоциативную азотфиксацию в филло– и ризосфере (Гаузе, 1935; Умаров, 1984). Для растений источником азота служат минеральные соединения – аммоний и нитраты, а также низкомолекулярные органические соединения – аминокислоты, формирующиеся при минерализации органического вещества. Например, при совместном посеве Festuca prаtense и Dactylis glomerata по-разному поглощали азотные соединения: ежа активнее использовала аммонийные и нитратные формы азота, а овсяница – преимущественно нитратные. Экологическая ниша, отражая по Одуму функцию вида или популяции в сообществе микроорганизмов, характеризует профессию вида или комплексный характер факторов (Беклемешев, 1960). Каждый вид выполняет определенную функцию, обусловленную его потребностями: 1) в пищевых ресурсах, 2) подвижности, 3) способам размножения, 4) биохимическим возможностям, 5) структурным особенностям, 6) пределам устойчивости к средовым особенностям и т.д. Способность отдельного вида или популяции осуществлять определенную функцию в экосистеме оценивается совокупностью еѐ свойств. Обычно пределы распространения вида сравнительно ýже, чем от него ожидают с учѐтом его свойств. Иными словами, реальные ниши ýже потенциальных. 133 Возможности выполнения тех или иных функций, которые свойственны виду, оцениваются часто рядом специфических особенностей. Например, в рубце жвачных осуществляются функции расщепления целлюлозы теми бактериями, которые выполняют этот процесс в анаэробных условиях при получении энергии в результате брожения; они толерантны к температуре внутри желудка (высокая), к присутствию жирных кислот, ферментов, аммиака и других различных газов, которые они должны удалять в результате брожения, – типа Н2, СН4. В целом для выполнения функции в определенной экосистеме вид должен быть способным выполнять целую гамму дополнительных функций (Шлегель, 1987; Белюченко, 2014 к). Совокупность благоприятных условий существования организменной единицы, способствующей существованию и воспроизводству себе подобных, Хатчинсон назвал фундаментальной нишей, представляющей собой гипотетическую нишу, в которой организм не соприкасается с конкурентами, с другими недругами (например, с хищниками), для которых физическая среда благоприятна. В противоположность этой нише диапазон существования организма меньше ниши фундаментальной и называется реализованной, учитывающий различные факторы ограничения организменной единицы (конкуренция, хищничество и др.). Фундаментальную нишу называют потенциальной, а реализованную – фактической. Уменьшение межвидовой конкуренции ведет к расширению экологических ниш. Например, американский пересмешник имеет на островах более ограниченную пространственную и пищевую ниши или более ограниченные доступные ниши, чем на равнине. Структура сообщества. Сложность структуры биоценоза оценивается по количеству ниш в нем и зависит от гетерогенности биотопа или его абиотической среды. Чем сложнее условия, тем данные биотопы могут освоить большее число экологических ниш, отличающихся по биологическим потребностям видов. В связи с этим увеличивается биологическое разнообразие биоценоза, определяющее число занятости экологических ниш. Возрастание биологической сложности состава живых организмов экосистемы связано с уменьшением объема экологических ниш и с повышением экологических специализаций видов. Повышение уровня биологического разнообразия проявляется в возрастании числа видов, составляющих биоценоз; уменьшение объема ниш каждого вида определяет ограничение их численности. В благоприятных условиях число видов велико, но каждый из них представлен относительно небольшим 134 числом особей; в неблагоприятных условиях это соотношение меняется на обратное. Экологическая ниша характеризует положение вида в целом в системе биоценоза, в комплексе его биотических связей и требований к абиотическим факторам среды. Экологическая ниша таксона зависит не только от абиотических условий среды, но и его биотических связей. Характер занимаемой ниши определяется экологическими возможностями таксона реализовать его в конкретных условиях. Специализация вида по питанию, использованию пространства, времени активности и другим условиям характеризуется как сужение экологической ниши, а обратные процессы – как еѐ расширение. На сужение или расширение экологической ниши большое влияние оказывают конкуренты и хищники. Правило конкурентного исключения Г.Ф. Гаузе (1935) действует для близких по экологии видов, когда два вида не уживаются в одной экологической нише. Выход из конкуренции достигается при расхождении требований к среде, изменении образа жизни, расхождении характера экологических ниш видов, и только в таком варианте они могут существовать в одном биоценозе. Улучшение условий жизни и увеличение численности какого– либо вида в биоценозе уменьшает численность другого вида, близкого по экологическим характеристикам. Важным механизмом устойчивости природных биоценозов является разделение экологических ниш совместно существующих видов с частичным их перекрыванием. Ослабление межвидовой конкуренции приводит к расширению экологической ниши вида. Множественность экологических ниш определяется разным использованием таксонами среды, размещением отдельных организмов в воздухе и почве, ритмами сезонного развития, длительностью периода вегетации, сроками цветения, особенностями срока плодоношения, взаимосвязями с элементами абиотической среды и компонентами биоценоза. Например, в смешанном лесу деревья первого яруса (дуб, клен, липа, ясень) относятся к одной жизненной форме и полог их крон находится в одном горизонте в сходных условиях. Тем не менее все породы по-разному участвуют в жизни сообщества и занимают разные экологические ниши. Так, породы различаются по степени теневыносливости, срокам цветения, плодоношения, способам опыления, распространения плодов, составом консортов, продолжительности жизни особей и т.д. Дуб и ясень – анемофилы, и природ135 ную среду насыщают пыльцой в разные сроки; клен и липа – энтомофилы и хорошие медоносы, но цветут в разное время; для дуба характерна зоохория, для остальных пород – анемохория. Поразному и на разной глубине размещают свои корни различные породы. Опад листьев основных пород разлагается к осени, а у дуба еще в весенний период на следующий год сохраняется рыхлая лесная подстилка. Указанные породы по-разному в сообществе участвуют в освоении и преобразовании среды и в трансформации энергии, что подчеркивает разнообразие формирования каждым видом своей экологической ниши. С возрастом растения интенсивнее преобразуют среду обитания, а переход их в генеративную фазу расширяют круг их консортов, меняют размеры и напряженность фитогенного поля (Уранов, 1965). Роль стареющих (сенильных) растений в образовании среды снижается, они теряют многих консортов, но увеличивается количество связанных с ними деструкторов. У растений отмечается перекрывание экологических ниш, и с ограничением ресурсов оно усиливается. Учитывая, что виды используют ресурсы индивидуально, избирательно и с разной интенсивностью, конкуренция в устойчивых фитоценозах ослабляется. Богатство экологических ниш в биоценозе определяется двумя причинами: 1) условиями среды, представленной биотопом: чем разнообразней биотоп, тем больше видов могут иметь свои экологические ниши; 2) другой источник разнообразия ниш – это сами таксоны, являющиеся ресурсом и создающие ресурс для других (Николайкин, 2006). Американский исследователь Р. Макартур (1966) изучал разнообразие растительности по горному склону и число видов гнездящихся птиц (цит. по Онипченко В.Г. Функциональная фитоценология, 2013). Он вывел прямую зависимость между этими показателями, что подтверждает связь видовой емкости сообществ с их внутренней структурой. Любой новый вид, внедряющийся в сообщество, увеличивает число имеющихся в нем экологических ниш не только за счет своего собственного положения среди других, но и предоставления ресурсов для паразитов, хищников и других сожителей . Экологическую нишу следует определять с учетом всего диапазона физических, химических и биотических переменных среды, к которым должен адаптироваться конкретный таксон и под действием которых видовая популяция живет и возобновляется бесконечно долго. Основными взаимодействиями считается хищничество и 136 конкуренция; последняя связана с теорией ниши через концепцию их перекрывания (Еськов, 2009). Чем обильнее ресурс, тем больше возможностей совместного существования видов, что приведет к усилению конкурентных взаимоотношений. Каждый вид занимает неясно очерченное диффузное пространство, которое отличается от пространств, занимаемых другими видами, но может с ними перекрываться. Размеры ниш и их местообитания изменяются как в экологическом, так и в эволюционном масштабах времени (Джиллер, 1988). Сложный компост как источник расширения экологических ниш. Под сложным компостом мы понимаем новое направление в практической экологии и земледелии, определяющее искусственное создание комплексных смесей различных отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства, а также природных материалов для обогащения почв, воды и воздуха органическими и минеральными дисперсными и коллоидными системами с целью совершенствования их физико-химических и биологоэкологических функций (Белюченко, 2003 а; 2013 д). Освоение живыми организмами, прежде всего растениями, суши за счет разложения еѐ органического вещества и выделения газов (СО2, N2, NH3) способствовало формированию нового режима с высокой долей участия в нем азота, углерода и кислорода и образования в биосфере новых форм воздухообмена и теплообмена. В результате различных природных катаклизмов на всем протяжении формирования Земли на отдельных этапах еѐ развития создавались многочисленные накопления пород, сначала минеральных, а затем и органических, характеризовавшихся различной природой и определенными свойствами (Белюченко, 2008 б; 2011 г). В конкретных условиях среды они преобразовывались, формировали разнообразные соединения и создавали смеси с различными свойствами. Образуемые в природе отходы являлись и являются основой для формирования различных ландшафтных систем с образованием новых экологических ниш для развития живых организмов – растений, животных, микроорганизмов (Белюченко, 2013). Современное производство должно заботиться не только о качестве получаемой продукции, но и стремиться к системному управлению отходами от своей деятельности. Особенно важна переработка промышленных отходов химических и других отраслей, которые потребляют огромное количество сырья, существенно превышающее по массе основной продукт. Например, фосфороперера137 батывающая промышленность на 1 т продукции, и далеко не чистой, производит до 3,5 т отходов. Несколько меньшее соотношение характерно для калийного производства. Начиная с 90-х годов ХХ века многие специалисты обратили внимание на отходы как на вторичное сырье. Многие отходы промышленности, включая металлургию, химическое производство и т.д., сами по себе и их компоненты могут быть эффективно использованы. Следует обратить внимание на то, что при вторичной эксплуатации различных шлаков и отходов подобные продукты дольше не испытывают биологического разрушения (долго не формируется плесень, не поселяются лишайники и т.д.). Эти и другие свойства позволяют их использовать и для сельскохозяйственного производства: строительство силосных ям, сточных желобов для слива жидких удобрений, кормушек для скота и т.д. Отходы всех производств, включая бытовые, являются гетерогенными дисперсными образованиями, состоящими из двух и большего числа фаз с развитой поверхностью. Дисперсные системы отходов, включая их истинные растворы (ионные, молекулярноионные и молекулярные), классифицируются на тонкодисперсные коллоидные (золи, гели) и грубодисперсные системы (частицы больше 100 нм) и взвеси (эмульсии, суспензии, аэрозоли). По равновесности и устойчивости дисперсные системы отходов делятся на лиофильные и лиофобные: первые термодинамически равновесны и высокодисперсны, формируются на основе отходов при производстве продукции из природного сырья, а вторые – термодинамически неравновесны и обладают большей свободной поверхностной энергией (Белюченко, 2009 б; 2012 в; Belyuchenko, 2014 а). В определенных условиях при смешивании лиофильных и лиофобных систем отходов происходит их коагуляция на основе сближения частиц, сохраняющих первоначальные формы и размеры и объединяемых в плотные агрегаты. Нестабилизированные и неустойчивые лиофобные системы отходов непрерывно изменяют свой дисперсный состав в сторону укрепления частиц вплоть до полного расслоения микрофазы. Стабилизированные лиофильные системы сохраняют дисперсность в течение длительного времени. Гидрофобные коагуляции различных отходов отличаются расслоением довольно сложной дисперсной системы на жидкую и твердую фазы. Способность коллоидных частиц в растворе к структурообразованию и формированию разнообразных агрегатов (например, фосфогипс слипается с органическими отходами КРС, сви138 ней и другими), заполняющих весь объем раствора и приводящих к образованию агрегатных вариантов сложного компоста (Джиллер, 1988; Белюченко, 2013 в). Многие сложные компосты включают органические растворы, а также водные растворы кислотных солей, и потому очень важно изучение идущих в них химических реакций с нарушением равновесия, указывающих на специфику их систем (гетерогенные или гомогенные). По мере созревания сложного компоста многие вещества разных отходов вступают в контакт и между ними происходят химические реакции с образованием новых соединений. В случае отсутствия видимого взаимодействия из веществ формируется механическая смесь, которая в дальнейшем при изменении условий (реакции среды и др.) может трансформироваться через усиление взаимосвязей в химическую. Важное значение в этой ситуации имеют водные растворы, где идут сложные химические процессы. В растворе проявляются физические (диффузия, непостоянство состава) и химические свойства (неустойчивость соединений), а гидратационные свойства способствуют появлению различных форм связанной воды (Белюченко, 1997; 2001 а; 2005; 2010 б). Коллоидные дисперсные системы отдельных отходов в сложном компосте формируют различные комбинации дисперсионной среды и дисперсной фазы. Особенности состава и свойств им придают мелкие размеры и большая поверхность коллоидных частиц. В сложном компосте при компоновке 8-10 отходов и периодическом их перемешивании чаще образуются гели, представляющие собой рыхлый осадок. В сложных компостах велика роль и золей, основу которых составляют сообщества микроорганизмов, в частности бактерий, грибов и одноклеточных водорослей. Удачно скомпонованный сложный компост при внесении в почву насыщает еѐ ионами кальция, недостаток которых, особенно в доступной для растений форме, ощущается практически во всех почвах. Являясь поглощающим катионом, кальций сложного компоста придает почвам структуру, наиболее благоприятную в сельскохозяйственном отношении. Он является важным компонентом почвенно-поглощающего комплекса, и на его долю приходится до 6070% катионообменной емкости сложного компоста. Благодаря высокому насыщению обменным кальцием сложный компост обладает хорошей агрономической структурой, физическими и биологическими свойствами, что существенно повышает плодородие почвы при его внесении, и, что особенно важно, насыщение сложного ком139 поста катионами кальция в почве поддерживается достаточно долго (по нашим исследованиям до 5-6 лет). При этом формируются устойчивые экологические ниши, существенно расширяющие возможности обитания в почвенном покрове микроорганизмов и улучшающие развитие растительных организмов (Белюченко, 2011 в; 2013 д). Убедительным примером хорошего развития растительных организмов и расширения экологических ниш почвы является усиление базального кущения пшеницы (на 20-25%), заключающееся в образовании дочерних побегов. Удлиняется период развития кукурузы, что выражается в специфичности формирования еѐ базальной зоны, увеличении количества укороченных узлов и развитии в них придаточных и боковых корней. Повышается продуктивность сахарной свеклы, прежде всего масса еѐ корнеплодов. Внесение сложных компостов способствует более экономному расходованию питательных веществ почвы, включая минеральные и органические составляющие. Иными словами, сложение различных вариантов дисперсно-коллоидных образований отдельных отходов и их благоприятная компоновка в сложном компосте сказываются на улучшении агрономических свойств почвы через существенное увеличение числа экологических ниш и их расширение, что, безусловно, требует серьезного изучения взаимоотношений растений и почвы (Еськов, 2009). Разнообразие экологических ниш определяется разным использованием растениями среды обитания, размещением их органов в почве и воздухе, ритмами сезонного развития, длительностью периода вегетации, особенно плодоношения, взаимосвязями с элементами абиотической среды и т.д. Различные культуры в агроландшафте по-разному осваивают и преобразуют энергию, и потому можно сказать, что каждый вид растения имеет свою экологическую нишу; в процессе онтогенеза растения еѐ меняют и активнее преобразуют среду. Стареющие растения снижают напряженность фитогенного поля и свою средообразующую роль, а также продукционные процессы (Уранов, 1965). На обилие экологических ниш серьезное влияние оказывают условия среды, которые мы существенно улучшаем внесением комплекса соединений со сложным компостом, а также сам вид организмов, являющийся ресурсом для других. В основу взаимоотношения растительного вида в агросистеме ставится вопрос о его требованиях к комплексу абиотических и био140 тических условий среды. Экологическая ниша определяет функциональное участие вида в составе агросистемы с учетом его физического пространства и места в системе связей. Экологическая ниша культуры в севообороте зависит от того, какова еѐ роль в преобразовании энергии и реакции на физическую, химическую и биологическую среду, насколько сдерживается еѐ развитие другими видами живых организмов и условиями среды. В наших опытах сложный компост усиливал и расширял экологическую нишу любой культуры, что нашло выражение в их развитии, особенно базальных участков. Анализируя реакцию отдельных культур в агросистеме, можно заключить, что она выразилась интегрально через усиление кущения пшеницы, разрастание базальной зоны у кукурузы, улучшение формирования ботвы и корнеплодов у свеклы и т.д. Например, при снижении нормы высева пшеницы на 40 кг/га еѐ урожай в варианте со сложным компостом не только не снизился, но и увеличился. Сокращение количества азотных удобрений под пшеницу на 35 кг/га также не привело к снижению урожая зерна, поскольку сложный компост обеспечил расширение экологической ниши растениям пшеницы, обеспечив их высокую продуктивность, положительно повлиял на экономное регулирование питания растений, их водный и воздушный баланс, существенно изменив взаимосвязи с микроорганизмами почвы, воды и воздуха (Белюченко и др., 2008). При внесении под посев кукурузы сложный компост создал высокую обеспеченность факторами питания (микроэлементы и макроэлементы, влажность и т.д.), что существенно улучшило развитие отдельных растений, повысило эффективность работы листового аппарата и корневых систем через увеличение их функциональной роли в агросистеме и через расширение их экологических ниш. Особенности состава и структуры сложного компоста в течение 5-6 лет функционально оказывают влияние на экологические ниши культур. Выращенные под влиянием сложного компоста и повышении их конкурентоспособности такие посевы существенно увеличивали число популяций живых организмов. Себестоимость сложного компоста с учетом компоновки различных по качеству и количеству веществ из отходов разных производств в принципе будет весьма незначительной, поскольку сырье для его производства является отходом и само по себе объективно ничего не стоит, а расходы на их производство, транспортировку, 141 размещение и хранение входит в себестоимость продукции и оплачивается его потребителями. 4. Сложный компост и микроорганизмы почвы. При внесении сложного компоста в черноземе обыкновенном отмечено увеличение численности всех почвенных живых организмов. Как показали исследования Ю.Ю. Петух на базе кафедры общей биологии и экологии КубГАУ в Ленинградском районе Краснодарского края, при внесении в почву сложного компоста на базе минеральных удобрений отмечено увеличение количества целого ряда микроорганизмов – амилолитических, аммонифицирующих, микромицетов, но снижение нитрифицирующих. При изучении микробиологического комплекса почвы в полевом опыте доминирующее положение занимал прокариотный комплекс, существенно превышая численность грибов. Довольно большим видовым разбросом выделялись актиномицеты. Так, в среднем за 5 лет исследований род Streptomyces встречается в 53% случаев, Nocardia – 20%, Nocardiopsis до 10% и т.д. При изучении разнообразия актиномицетов в полевом опыте с внесением сложного компоста особо выделен род Streptomyces, осуществляющий процесс разложения сложных органических веществ и выделяющийся широким видовым спектром. Среди дрожжевых грибов наиболее часто встречались представители родов Lipomyces и Candida, выделенные в бактериальнодрожжевом комплексе азотфиксирующих микроорганизмов. Общая численность почвенной мезофауны при посеве озимой пшеницы на контроле в 2007 году (NP) составила 138±10 экз./м2; на участке с навозом КРС (50 т/га) их численность составила 186±12, а при внесении сложного компоста – 230 экз./м2, что превысило контроль на 70% и на 25% вариант с навозом. При посеве на второй год сахарной свѐклы после еѐ уборки в октябре 2008 года на контроле доля почвенной мезофауны составила 283±16 экз./м2, по полуперепревшему навозу 382, а после сложного компоста – 473±20 экз./м2. Во все годы исследований в течение 5 лет выращивания различных культур варианты со сложным компостом выделялись высоким таксономическим разнообразием и высокой численностью представителей почвенной мезофауны; в разные сезоны года в сравнении с другими вариантами опыта отмечалось увеличение численности таких семейств, как кивсяки (Julidae), дождевые черви (Lumbricidae) и энхитрииды (Enchytraedae). Дождевые черви интенсивно увеличили свою популяцию на протяжении осенне-зимнего периода, и она со- 142 ставила в варианте со сложным компостом 40-44 экз./м2, а на контроле – 15-20 экз./м2. На посевах озимой пшеницы после кукурузы численность дождевых червей и энхитреид на участке со сложным компостом оказалась выше (306±17 экз./м2), чем на контроле (150±10 экз./м2). На 5-й год проведения исследований была высеяна сахарная свѐкла после озимой пшеницы. Установлено, что численность представителей почвенной мезофауны в варианте со сложным компостом была выше (289±17 экз./м2) по сравнению с контролем (165±10 экз./м2) и полуперепревшим навозом (213±13 экз./м2). При проведении исследований отмечено, что внесение сложного компоста оказывает прямое влияние на состав почвенной мезофауны в течение 5 лет. Положительное влияние сложного компоста проявляется в улучшении физико-химических и биологических свойств почвы и расширении экологических ниш. Увеличение численности дождевых червей и энхитреид на участке со сложным компостом может быть связано с более равномерным поступлением органических веществ из различных отходов – полуперепревшего навоза КРС, растительных остатков кукурузы, подсолнечника, сахарной свеклы, остатков очистки зерна и кормления сельскохозяйственных животных, в результате чего создаются благоприятные условия для их развития. Полученные данные представляют интерес ввиду того, что почвенные животные являются переработчиками органического вещества, способствуют накоплению в почве гумуса и участвуют в перемешивании различных компонентов субстрата, что, естественно, расширяет экологические ниши системы. Использование сложного компоста способствует улучшению влагоемкости почвы, повышению обмена кальция, что благоприятно влияет на представителей семейства кивсяки настоящие (Julidae), которые предпочитают почвы с высоким содержанием этого элемента. Получая кальций с пищей, кивсяки значительную его часть накапливают в своем теле, а другую часть выделяют в почву в виде простых соединений с экскрементами и личиночными шкурками, а при отмирании обогащают ими поверхностный слой. Высокая пищевая активность, способность к потреблению слабо разрушенного опада и высокая усвояемость пищи делают кивсяков важнейшими агентами почвообразования. При смешивании органических отходов и фосфогипса получается комплекс, обеспечивающий прочность образуемых агрегатов и 143 насыщающий почву такими важными элементами, как S, Si, Ca, и рядом микроэлементов. Кроме того, в силу своих высоких коагулятивных свойств фосфогипс повышает устойчивость органоминеральных комплексов и питательных веществ к выщелачиванию из почвы, что имеет важное значение для питания и размножения представителей почвенной мезофауны и поддержания устойчивости образующихся экологических ниш (Белюченко, 2003; 2013). В производственном опыте при изучении мезофауны было выявлено 4 класса почвенных беспозвоночных: Insecta (насекомые), Arachnida (паукообразные), Myriapoda (многоножки), Olygochaeta (малощетинковые черви). В первый год исследований в почве производственного опыта на посевах сахарной свеклы во всех вариантах опыта были выделены представители таких семейств, как жужелицы (Carabidae), щелкуны (Elateridae), двукрылые (Dipterа) – личиночные стадии; клещехвостки (Japigidae), коротконадкрылые (Staphilinidae), геофилы (Geophilomorpha), костянки (Lithobiomorpha), кивсяки настоящие (Julidae), дождевые черви (Lumbricidae), энхитреиды (Enchytraeidae) – взрослые особи. Личинки пластинчатоусых (Scarabaeidae) и хищных мух-зеленушек (Dolichopodidae), взрослых особей пауков (Аrапеае), которые были отмечены только в небольшом количестве в вариантах со сложным компостом и полуперепревшим навозом КРС. Личинки чернотелок (Tenebrionidae) встретились только на контроле (9,5±2,7 экз./м2). В последующем при смене сельскохозяйственных культур согласно схеме севооборота происходили некоторые изменения в составе и численности представителей почвенной мезофауны, однако наибольшая численность была отмечена в варианте опыта, где в почву вносили сложный компост; почти 60% от общей численности почвенных беспозвоночных составляли энхитреиды (Enchytraeidae) и дождевые черви (Lumbricidae) – представители клacca малощетинковые черви (Olygochaeta), причем данная тенденция прослеживалась на протяжении всего периода исследований. Изучение сложного компоста в первый год внесения способствовало некоторому увеличению численности личинок жужелиц (до 25,9±4,4 экз./м ), однако в последующем данной закономерности установлено не было. На участке со сложным компостом в течение всего периода исследований было отмечено увеличение количества представителей семейства кивсяки настоящие (Julidae). При использовании сложного компоста в почве происходит увеличение содержания гу144 мата кальция, улучшается влагоемкость почвы, повышается уровень обменного кальция. Как известно, наиболее кальцефильной группой среди диплопод являются кивсяки, в покровах которых содержится наибольшее количество извести, и потому они наиболее многочисленны в почвах, где содержание кальция способствует расширению экологической ниши в этом направлении и приводит к увеличению численности кальцефилов. Экологическая ниша как функция таксона. Поскольку вид выполняет определенную функцию, обусловленную потребностями в питательных веществах, размножении, биохимическими возможностями, пределами толерантности к условиям среды и т.д., то ниша определяется комплексностью его свойств. Распространение вида обычно ýже, чем следовало бы ожидать, исходя из его свойств, т.е. реальная ниша ýже потенциальной. Способен ли вид осуществлять функцию, к которой он способен потенциально, нередко определяется обстоятельствами различного уровня, и потому для еѐ выполнения в конкретной системе следует обладать целым рядом специфических особенностей, на которых мы и остановимся (Онипченко, 1987; 2011; 2013). 5.1. Потребности видов в питательных веществах. Среди всех питательных веществ важнейшим выступает азот, основными источниками которого для растений являются минеральные соединения – аммонийные и нитратные, а также низкомолекулярные органические соединения, например аминокислоты, формирующиеся в результате минерализации гумуса. Различные виды растительных организмов по-разному потребляют нитратные и аммонийные формы азота. Например, виды разнотравья отличаются более высоким уровнем потребления аммонийных форм азота, а плотнодерновинные злаки и осоковые отличаются относительно низким поглощением и в основном нитратного азота. Проведение различных экспериментов показало, что полного потребления одной и другой формы азота нет, но различия касаются соотношения в потреблении отдельными группами растений аммонийной и нитратной форм в разные периоды вегетации. На второе место среди минеральных элементов питания выходит фосфор, определенные различия в поглощении которого отмечены для разных видов растений. Например злаки, особенно сельскохозяйственные, используют фосфора достаточно много по сравнению с крестоцветными и другими таксонами. Так, фосфаты активно используются растениями, образующими микоризные сис145 темы корней, и в основном это злаки, у которых образуются гифы микоризных грибов, способные использовать разные источники этого элемента в почве. Различия между видами растений по формам ресурсов, их распределению и использованию составляют основу механизмов, обусловливающих правильное понимание экологической ниши. Весьма четко распределяются экологические ниши растений с учетом разной глубины их укоренения при использовании таких ресурсов, как вода и элементы минерального питания K, S, Ca. Особые ниши занимают мхи и лишайники, получая воду и питательные вещества в основном с атмосферными осадками, а паразиты и полупаразиты – от растений–хозяев. Большое число растений отличается соотношением используемых ресурсов, что обеспечивается гетерогенностью среды. Сами растения создают вторичную неоднородность среды, что тоже может влиять на разнообразие растительных систем и экологических ниш. Такой вариант хорошо просматривается при культивировании смешанных посевов культурных растений, а также при изучении разнообразия сорняков (Гаузе, 1935; Белюченко, 2003 б). 5.2. Варьирование экологических факторов. Возможность существования различных видов или экотипов растений определяется временным варьированием экологических факторов различного уровня – температуры, увлажнения, освещения, почвенного режима, включая засоление, уровень кислотности и другие свойства, изменяющиеся по сезонам года (Белюченко, 2014 к). 5.3. Различие видов в экологической нише. Для сосуществования различных видов живых организмов имеют большое значение разные по времени изменения совокупности экологических факторов, включая также климатические условия и их динамику по сезонам и годам. Известны случаи фенологического разнообразия видов. Анализируются случаи контрастирующих примеров – Butоmus umbellatus и Galium verum в Волго-Ахтубинской пойме с весьма переменным водным режимом; фенологическая система видов с С3 и С4типом фотосинтеза на равнинных участках лугов в Абхазии; синузии эфемероидов и растений летней вегетации в западной части Анапского района и т.д. 5.4. Развитие растений в разные временные периоды. Почвенные ресурсы заметно меняются не только в течение года, но и сезона. Разногодичные флуктуации условий среды способствуют существованию видов организмов с различиями в экологических 146 требованиях. Например, типчак Festuca valesiaca и болотный сорняк Heleocharis palustris чередуют свое доминирование в зависимости от сухости и влажности лет (Работнов, 1985). В случае неблагоприятных условий (засуха во влажных районах) сильнее снижают урожайность влаголюбивые виды и, наоборот, устойчивые виды меньше снижают свою продуктивность. В некоторых случаях недостаток влаги характеризуется глубиной посева. Климатические изменения, имеющие циклический характер, продолжительность которых сотни и тысячи лет, способствуют существованию различных видов растений, имеющих различные потребности во влаге. 5.5. Влияние нарушений в системе популяций одних организмов другими. На видовое разнообразие фитоценозов и растительных видов оказывают влияние как внутренние (упавшие деревья), так и внешние для фитоценоза причины: роющая деятельность животных, удаление отдельных особей, которые освобождают определенный участок. Прежде всего это относится к фитофагам. Число видов по интенсивности роста обычно изображается одновершинной кривой. Концепция регенерационной ниши предполагает возможность сосуществования видов, имеющих сходные экологические потребности во взрослом состоянии, но различающиеся по условиям выживания их всходов и подроста (Белюченко, 2013). 5.6. Видовой состав сообщества. Поддерживается видовой состав в основном за счет сложной трофической структуры экосистемы. Устойчиво может сосуществовать неограниченное число видов продуцентов, имеющих специализированные факторы регуляции интенсивности условий, необходимых для растений. Высокое видовое разнообразие поддерживаться неспециализированным фитофагом, предпочитающим обилие доминирующих видов растений. Сосуществование видов может обусловливаться наличием целого ряда компромиссов: между конкурентоспособностью и колонизационной способностью, между конкурентоспособностью и восприимчивостью к болезням и фитофагам, между способностью довольствования средним уровнем ресурсов и способностью к максимальному поглощению ресурсов в период жизнедеятельности, между способностью видов конкурировать за разные ресурсы в гетерогенной среде и т.д. 5.7. Эволюция экологических ниш. Экологические ниши заметно варьируют, что указывает на их эволюционное развитие. В результате дивергенции видов различных экологических ниш появляются новые ниши. Если признать, что жизнь на Земле появилась в 147 водной среде, то первые организмы имели простое строение и малые размеры. Постепенно организмы в воде усложнялись, увеличивалось их разнообразие, и Земля со временем стала населяться самыми разными микроорганизмами, растениями и животными: одни группы таксонов исчезали (например динозавры), а их место занимали другие. Изменения в плане строения различных организмов периодически открывали возможности к адаптации и новые адаптивные зоны, определяли разнообразие таксонов в форме адаптивной радиации. Важнейшей причиной разделения экологических ниш и формирования разнообразия организмов служила межвидовая конкуренция. Первые наземные организмы развивались медленно, поскольку практически не имели конкуренции. При выходе из воды и появлении на суше многие виды сразу заняли многочисленные ниши. Появление теплокровности и освоение воздушного пространства вызвали новую адаптивную радиацию. Допускается, что эволюция полета независимо повторилась на суше 4 раза: у насекомых, пресмыкающихся, птиц и млекопитающих. Взаимодействия большего числа таксонов нередко носили многосторонний характер изменений. Появление цветковых растений и их адаптивная радиация в мезозое привела к появлению многих насекомых, а специфичность насекомых–опылителей определила появление разнообразных цветковых растений; тенденция к самоусилению разнообразия оказалась весьма характерной для органического мира (Whittaker et al., 1973), расширение которого усилило эти процессы. Внедрение сложных компостов способствовало развитию и экологических ниш, и видового состава живых организмов в почве. 148 ГЛАВА 7. ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ КОМПОСТОВ TROPHIC ASPECTS OF FORMATION OF COMPOUND COMPOST Creation of complex compost provides for the inclusion about 10 species organic and mineral wastes, the management of which to optimize their unification in order to create effective compounds, which noticeably change the physical, chemical and biological complexes by enhancing their many years of activities (4-6 years), ranging from their introduction into the upper layer of the soil, taking into account development of microorganisms, strengthening of water-physical, enrichment of chemical and extension of biological relationships with the expansion of ecological niches. Создание сложных компостов предусматривает включение в его состав до 10 видов и больше различных отходов органического и минерального происхождения, управление которыми оптимизирует их объединение с целью создания весьма эффективных соединений, заметно изменяющих физические, химические и биологические комплексы через усиление их многолетней активности (до 5-6 лет), начиная от его внесения в верхний слой почвы, с учетом развития популяций микроорганизмов, комбинированного усиления воднофизических, обогащения химических и расширения биологических связей при расширении в целом экологических ниш (Белюченко, 2013б). При любых вариантах развития природы и общества производство многих видов продукции формирует различные отходы. Еще до появления человека в природных системах в результате физико-химического разрушения пород, извержения вулканов, землетрясений и других явлений в биосфере накапливались в основном иловые образования, представлявшие своего рода протопочву, а затем и почву со всеми свойствами, способствовавшими прогрессивному и активному развитию отдельных систем (Белюченко, 2003 а; Муравьев, Белюченко, 2008 б). Речные системы сформировали свои русла в результате разрушения минералов, которые были использованы вместе с лесными породами для укрепления берегов, развития 149 пойм и долин и в целом бассейновых ландшафтов, поддерживающих определенный водообмен на отдельных участках суши с участием различных водных систем (Белюченко, 2010 в). Освоение растениями суши в результате разложения их органического вещества и выделения газов (СО2, N2, NH3) способствовало созданию новой атмосферы с высокой долей участия в ней кислорода и нового режима воздухообмена и теплообмена в экосфере. В результате природных катаклизмов (извержение вулканов, землетрясения и т.д.) на разных этапах развития Земли формировались разнотипные отходы, сначала минеральные, а затем и органические, отличающиеся природой происхождения, физическими и химическими свойствами. В конкретных условиях среды они преобразовывались в различные соединения и создавали разнообразные, но вначале неорганические ландшафты. Природные отходы являлись и являются основой для создания новых ландшафтных систем с различными экологическими нишами, пригодными для развития разнотипных живых организмов (мелких животных и микроорганизмов); они менялись и меняются количественно и качественно. При их массовом образовании (при извержении вулканов, землетрясениях, наводнениях, пожарах и эпидемиях и под действием других природных факторов) нередко происходят кардинальные изменения ландшафтов с полным уничтожением существовавших и образованием новых экологических систем (Белюченко, 2005 а, б; 2006 а; Белюченко и др., 2012 д). При обычном режиме природных условий появляющиеся в процессе развития этих систем минеральные и органические продукты разрушения поддерживают плавный режим изменения и эволюции ландшафтов. С появлением человека и с увеличением численности его популяции в развитии ландшафтных систем происходили и происходят весьма существенные изменения. Объективно человек сегодня переиначивает природную систему под свои, нередко весьма низменные интересы, и потому входит с ней в глубокое противоречие. По оценкам многих экологов сила давления человека на природу в 4-5 раз сильнее, чем природных явлений – землетрясений, наводнений и др. Перспективы биосферной энергии. За сотни миллионов лет природа выработала весьма высокую устойчивость, лабильность и 150 мощную силу восстановления различных ландшафтов. В этом нетрудно убедиться: если человек сильно разрушает какие-то ландшафты, а затем оставляет их в покое, то в течение ближайших 8-10 лет мы начинаем отмечать весьма явные признаки возрождения и развития отдельных систем. Эти процессы весьма четко проявляются при восстановлении луговых и лесных систем в районе Чернобыля, при прокладке газопровода «Голубой поток» в районе Геленджика и др. Такие примеры мы находим также в горных районах, где прокладывались с хозяйственными целями бетонированные дороги и другие сооружения. Мощным фактором разрушения создаваемых человеком объектов являются растения, животные, микро- и мезофауна, бактерии, грибы, актиномицеты, одноклеточные водоросли (Белюченко и др, 2012 в). Это указывает на то, что если человек не будет вмешиваться в природные процессы, то, как правило, довольно скоро можно отметить самовосстановление систем, хотя уже на новом уровне, что связано с изменением прежде всего гидрологического режима отдельных бассейнов и усилением эрозионных процессов, а также с изменением реакции почвенного раствора, режима формирования и трансформации органического вещества и т.д. (Белюченко, 2005 в; 2006 д, е; Белюченко и др., 2010б; Кобецкая, Белюченко, 2007). В результате таких изменений нередко происходит «выпадение» из фитоценозов отдельных пород деревьев, кустарников, травяного покрова и формирование новых сообществ растений и животных (Белюченко, Корунчикова, 2003; Белюченко, Муравьев, 2008а). Эти примеры указывают на то, что биосфера и еѐ региональные составляющие накопили за много лет мощный запас резервной энергии, обеспечивающей высокую устойчивость и способность формировать системы с новыми возможностями развития по разным направлениям в зависимости от потерянных мощностей – материальных, энергетических, физических, химических, биологических. Если будет продолжаться современный разбойничий вариант использования природы, то в течение ближайших пары – тройки сотен лет человечество столкнется с весьма непредсказуемыми изменениями, что приведет к ухудшению среды обитания, которая может оказаться непригодной для существования самого человека, не способного за весьма короткий срок кардинально эволюциониро151 вать. Мы имеем пока примеры регионального масштаба: преобразование ландшафтных систем с богатым в прошлом видовым составом растений и животных в междуречье Тигра и Евфрата, в период расцвета Римской Империи в IV и V веках до нашей эры на территории Северной Африки и т.д. В настоящее время сила воздействия человека на природу во много раз выше, чем в те далекие исторические эпохи, и потому гораздо вероятнее перспективы опустынивания сначала огромных территориальных ландшафтов степного типа (например, занятых земледелием), горных лесных массивов, испытывающих сильное давление пожаров и выбросов промышленных предприятий, а затем и в целом биосферных объектов (Белюченко, 2005 в). Человек влияет на природу путем прямой эксплуатации своей продукции (самолеты в воздухе, корабли в океане, трактора, комбайны на суше и т.д.), а также через сбросы загрязненных вод в речные и морские системы, выбросы различных весьма реактивных газов в атмосферу, загрязнение почвы жидкими и твердыми бытовыми и промышленными отходами, а также через поступление оседающих в еѐ верхний слой осадков газовых выбросов с дождями (Белюченко, 2005 в; Белюченко и др., 2010 в). Измененная человеком природа, накопившая массу загрязнителей, может быть улучшена посредством подготовки и использования сложных компостов, которые включают до 8-10 и больше видов отходов промышленного, сельскохозяйственного, бытового и природного происхождения. Разнообразие различных отходов, производимых сельским хозяйством, включает отдельные виды газообразных выделений, твердый и жидкий навоз (КРС, свиней, куриного помета), отходы растениеводческой продукции (солома пшеницы, стебли кукурузы и подсолнечника, листья и нестандартные отходы сахарной свеклы и других корнеплодов, овощей, выжимки плодов и т.д.) и другие, представленные в основном органическими соединениями (Добровольский, Никитин, 2000; Белюченко и др., 2012 а; Белюченко, Гукалов, 2003; Швыдкая, Ткаченко, 2013). Твердые и жидкие минеральные отходы переработки природного сырья (фосфогипс, галиты, известковая мука, сильвиниты и др.) являются важными поставщиками богатой палитры минеральных элементов. Серьезной проблемой является утилизация отходов 152 быта в виде сточных вод и пастообразных осадков, включающих значительное число органических и минеральных веществ, многие из которых являются весьма опасными загрязнителями и количество которых необходимо основательно снижать. Природные отходы имеют в основном органическое происхождение (плоды, опад листьев, ветки кустарников, ветошь трав), а также представлены минеральными материалами разрушения горных пород, осыпей, обвалов и т.д. Структура составляющих сложный компост разнообразных типов отходов зависит от количества ионов кальция и магния, содержания в них органических веществ, уровня кислотности раствора и т.д. и делится на мелкозернистую (минеральные коллоиды разбросаны и не связаны друг с другом) и комковатую (коллоиды соединены в сравнительно стойкие агрегаты). Комковатый компост превосходит мелкозернистый: хорошо пропускает влагу, не допускает застоя воды и лучше обеспечен воздухом, особенно кислородом и окисью углерода. Состав и структура сложного компоста в значительной степени определяют видовой и популяционный состав живых организмов в нѐм и прежде всего бактерий, грибов, актиномицетов, одноклеточных водорослей (Смагин, 2012). Кальций усиливает водопотребление компоста, определяет прочность его структурных агрегатов, образуемых органическими и минеральными коллоидами, и снижает токсическое действие солей тяжелых металлов. Его источником в сложном компосте может быть фосфогипс, доломит, мел, известковая мука и другие минералы. Оригинальный подход к созданию весьма эффективной оценки капиллярно-сорбционного потенциала почв и грунтов как функции от влажности с использованием гидрогелей разработан профессором МГУ А.В. Смагиным с сотрудниками (2011). Вопросы научного обоснования и практические аспекты реализации конструирования почв обобщены в фундаментальной работе А.В. Смагина в 2012 г. Сложные компосты, предназначенные для рекультивации почв и представляющие собой искусственное создание комплексных смесей разнообразных отходов, определяют обогащение верхнего слоя почвы органическими и минеральными дисперсными и коллоидными системами и совершенствуют его экологические 153 функции, что является важным направлением в развитии практической экологии и земледелия (Belyuchenko, 2014 а). Одним из важных этапов создания сложных компостов является подбор для этих целей основных видов отходов – до 8-10 и больше. От того, насколько удачно будут учтены особенности сопряжения в целом тех или иных отходов, определится успешность выполнения поставленной задачи. Весьма ответственным этапом в подготовке сложных компостов является развитие их микробных сообществ. В сложном компосте биологическую основу его развития определяет именно поведение прокариотных сообществ, а физико-химическую – комбинирование обменных реакций органических и химических соединений, выделение ППК общего компоста, а также другие формы комбинаторных процессов. Рассмотрим проблемы развития различных сообществ, а также их влияние на изменение физических и химических основ сложного компоста (Белюченко, Корунчикова, 2003; Кобецкая, Белюченко, 2007). Образование сложных компостов. Объединение в сложные компосты отходов с различными морфологическими и химическими свойствами, отличающимися плотностью и влажностью, химическим и биологическим составом, определяет значительные колебания численности различных живых организмов в первые полторы – две недели после начала его формирования, особенно в летний период (Белюченко, 2012 а, б; Петренко, Белюченко, 2012). Наблюдается постепенное или активное комплексирование компоста по всем направлениям, включая состав органических и минеральных материалов, различающихся дисперсностью, физическими, химическими и биологическими свойствами, что проявляется в увеличении численности популяций живых организмов одних таксонов и снижении других. В сложных компостах формируются сообщества микроорганизмов c самыми разными функциями. В ряде отходов производства (особенно химических) многие живые организмы не могут обеспечивать изначально систему устойчивости и равновесия, и потому первичные их сообщества разрознены и не взаимосвязаны. Например, на 10-й день смешивания отходов различные экологотрофические группы микроорганизмов имели широкие различия по популяциям и заметно сближались примерно через месяц их разви154 тия (Белюченко, 2008). Особенно это касалось формирования сложных компостов в весенне-летний период в результате деятельности аммонифицирующих, амилолитических и олиготрофных микроорганизмов, характеризующихся сходством питания. Существенно эти группы организмов различались в сложных компостах по сравнению с вариантами влияния удобрений и минеральных подкормок (Белюченко, 2012 б). При смешивании различных отходов по истечении одной – двух недель развития организмы довольно быстро объединяются в функциональные группы по использованию в качестве ресурса органического вещества и его трансформации в гумус (глинистогумусовый комплекс), а также в органические кислоты, аминокислоты, ферменты и другие соединения. Живые организмы в сложном компосте в начальный период его формирования различаются по видовому и популяционному составу и варьируют по плотности распределения своих таксонов: одни из них могут разрушать органическое вещество, а другие, наоборот, его стабилизировать. В биомассе сложного компоста доля микроорганизмов в составе органического вещества доходит до весьма значительных величин, что существенно удлиняет в системе круговорот углерода и азота. Так, в сложном компосте, включающем полуперепревший навоз КРС, свиной навоз, фосфогипс, куриный помет с добавлением соломы ячменя, отходов кормления и очистки зерна, а также лузги подсолнечника и остатков сахарной свѐклы, общая численность микроорганизмов на 30-й день после его смешивания составила свыше 240 млн клеток, а с одним полуперепревшим навозом КРС – до 107 млн клеток. Живые организмы в сложном компосте (бактерии, грибы, одноклеточные водоросли, актиномицеты и др.) условно можно разделить на активные и неактивные, из которых наиболее активная группа составляет примерно 15%. В случае высокой доли в формируемом компосте глинистой фракции активность микроорганизмов усиливается и продолжительность их развития существенно удлиняется. Таковы, например, результаты подсчета микробных клеток в случае внесения фосфогипса и свиного навоза по сравнению с вариантом внесения одного навоза (Муравьев, Белюченко, 2008 а,б; Белюченко, Никифоренко, 2012). 155 Продуманная компоновка различных отходов в сложном компосте (например, щелочная среда свиного навоза и кислая реакция фосфогипса) выравнивает реакцию среды сложного комплекса на основе химической реакции нейтрализации в целом всей подобранной смеси. Формирование специфических микробоценозов идет за счет использования подщелачивающих органических составляющих – навоза КРС и свиней (подстилочного и жидкого), куриного помета, осадков сточных вод, дефеката, послеуборочных растительных остатков и других отходов, а также существенно подкисляющих минеральных субстратов – фосфогипса, отходов калийных удобрений и т.д. (Белюченко, 2012 в). В сложных компостах одни группы живых организмов для своего развития используют выделения других групп – различные органические биологически активные вещества: аминокислоты, витамины, ферменты, а также подвижные минеральные элементы, как азот, фосфор, серу и др. Само производство определенно влияет на состав отходов и прежде всего – на реакцию их среды (рН), физический и химический состав, что существенно изменяет процессы развития микроорганизмов, особенно на первых этапах формирования сложных компостов. Разлагая органические соединения, микроорганизмы постепенно усиливают дыхание и на отдельных этапах существенно ускоряют круговорот веществ. Например, разложение органического вещества, как правило, усиливает денитрификацию и, как следствие, приводит к газообразным потерям молекулярного азота. Повышение в субстрате сложного компоста количества глинистых соединений и органических веществ способствует снижению щелочности и при нейтральной реакции смесей (рН 6,8-7,2) значительная часть подвижных соединений тяжелых металлов переводится в труднодоступные для растений вещества. Используемый для внесения в почву сложный компост, включающий органические вещества и полуторные окислы, при снижении щелочной реакции субстрата до рН 7,0-7,3 позволяет за год существенно уменьшить содержание подвижных форм тяжелых металлов (Cd, Co, Cu, Mg, Ni, Pb, Zn) на 60-70% – в основном путѐм их перевода в труднодоступные для растений соединения (Белюченко, 2008; Белюченко и др., 2013 а). Иными словами, продуманная для составления смеси 156 композиция различных отходов позволяет составить сложный компост с нужным уровнем реакции среды, что будет снижать содержание подвижных форм тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd, Mn, Ni, Pb, Co и ряда других). Сущность формирования сложных компостов заключается в развитии микробиологических процессов по разложению органических веществ, активизации ферментов и соединений минеральных и органических коллоидов, а также в формировании в их структуре в основном небольших агрегатов размером до 2,0 мм. Создаются новые круговороты биогенов и усиливается дыхание субстрата сложного компоста, что в теплый период года ускоряет его развитие (Белюченко, Гукалов, 2003; Белюченко, Муравьев, 2008). Приведем пример сравнительной численности микроорганизмов при компостировании полуперепревшего навоза КРС и сложного компоста, включающего также фосфогипс, смѐты после очистки семян и с фермы, содержащие отходы комбикорма, силоса, сена, корнеплодов и других продуктов. Анализ полуперепревшего навоза и в целом сложного компоста проводился примерно каждые 10 дней, считая от начала их смешивания. Численность микроорганизмов определяли методом посева разведений навоза и сложного компоста на плотные и жидкие питательные среды (МПА, КАА, ГА Виноградского, Чапека). Посевы инкубировали при 24 и 30оС. Изучение таксономического состава проводилось с использованием определителей по установленным морфологическим и физиолого-биохимическим признакам изолированных колоний. Данные по общей численности микроорганизмов выражали в КОЕ/г. Идентификация культур проводилась общепринятыми методами. Идентификацию микромицетов осуществляли с помощью определителей отечественных и зарубежных авторов. Результаты изучения эколого-трофических групп организмов оценены по временным параметрам (табл. 7.1). Количество наиболее значимых групп микроорганизмов приведено за 4 месяца их развития в летний период (Белюченко, 2010 г). В процессе развития сложного компоста численность отдельных групп микроорганизмов постепенно изменяется, особенно это характерно для аммонифицирующих и олиготрофных бактерий, активность которых достигла максимума к трем месяцам его созрева157 ния. Примерно к четвертому месяцу развития сложного компоста отмечено снижение числа микроорганизмов, поскольку это связано, очевидно, со значительным снижением поступления свежего органического материала, а их предыдущие запасы, по всей видимости, снизились. Нарастание численности микроорганизмов в навозе менее интенсивное, поскольку к четвертому месяцу запасы органического вещества снижаются значительно быстрее по сравнению со сложным компостом (Белюченко, Корунчикова, 2003; Белюченко, Муравьев, 2008). Таблица 7.1. Численность эколого-трофических групп микроорганизмов в разные сроки созревания компоста, 2010 г. Микроорганизмы Число дней 10 20 30 40 50 60 Вариант опыта Полуперепревший навоз Сложный компост Полуперепревший навоз Сложный компост Полуперепревший навоз Сложный компост Полуперепревший навоз Сложный компост Полуперепревший навоз Сложный компост Полуперепре- Аммонифицирующие, 10-6 КОЕ/г Амилолитические, 10-6 КОЕ/г Олиготрофные, 10-5 КОЕ/г Нитрифицируюрующие Микромицеты, 10-3 КОЕ/г 29 12 31 10-3 3 22 9 18 10-2 4 32 17 36 10-4 6 28 24 27 10-3 7 37 29 38 10-4 6 34 31 38 10-4 8 41 32 43 10-5 6 49 44 51 10-6 8 54 33 49 10-5 5 62 47 52 10-6 6 54 -4 5 61 34 158 10 90 120 вший навоз Сложный компост Полуперепревший навоз Сложный компост Полуперепревший навоз Сложный компост Полуперепревший навоз Сложный компост 75 52 72 10-6 6 72 39 62 10-6 7 89 61 90 10-8 9 75 47 71 10-5 6 70 41 57 10-4 5 76 45 73 10-5 5 82 57 64 10-4 6 Процессы разложения органического вещества за счет интенсификации микроорганизмов, активность нитрификации и денитрификации заметно усиливаются, поскольку химические реакции между ППК почвы и веществами различных отходов, внесенных в сложный компост, заметно ускоряются. Например, при включении в сложный компост фосфогипса с полуперепревшим навозом КРС, птичьим пометом, осадками сточных вод и другими органическими отходами можно зарегистрировать прохождение реакции CaSO4 + CO2 + NH3 (навоз) → CaCO3 + (NH4)2SO4. При формировании благоприятных условий (высокая температура и влажность) такая реакция протекает достаточно интенсивно и количество доступного растениям азота увеличивается. Кроме того, снижение денитрификации замедляет процесс разрушения органического вещества и уменьшает газообразные потери азота. Коагуляция органических и минеральных коллоидов существенно сокращает их вымывание в грунтовые воды. По мере развития сложного компоста активность микроорганизмов в нем усиливается, что положительно сказывается на возможности управления процессами преобразования органических веществ через стабилизацию образования в них микробных клеток и нарастания их биомассы за определенный период развития. Эти процессы обусловлены химическими особенностями сложного компоста и вариациями антропогенных загрязнений (Муравьев, Белюченко, 2008 б). 159 Микроорганизмы и развитие сложных компостов. Особая роль в обеспечении экологических функций трансформации различных отходов и формировании сложных компостов принадлежит микроорганизмам. Применение биотехнологических методов трансформации различных отходов (главным образом твердых и жидких) и широкое использование сложных компостов является, на наш взгляд, весьма эффективным способом охраны окружающей среды. Одним из вариантов ускорения гумусообразования и создания сложных компостов является использование смеси эффективных микроорганизмов (ЭМ), представляющей смешанные культуры ряда их экологических групп, куда входят азотфиксирующие, актиномицеты, молочные и фотосинтезирующие бактерии, а также дрожжи и ферментирующие грибы. Разработки концепции и технологии применения микроорганизмов были предложены японским профессором Teruo Higa в 80-х годах ХХ века. В ряде стран (Индия, Китай и другие) биологические методы утилизации отходов являются приоритетными, а «природное земледелие» с использованием их технологий стало важной частью развития в них сельского хозяйства. Микробиологические методы очистки сточных вод также разработаны с использованием активных штаммов микроорганизмов-деструкторов. ЭМ-культуры не содержат генетически изменѐнных микроорганизмов и составлены из смеси таксонов, обитающих в естественных условиях. Авторам препаратов удалось соединить в одну биокультуру большую группу микроорганизмов, способных к активному взаимообмену источниками питания. Подобная биокультура группы микроорганизмов была выделена нами из устоявшегося в течение трѐх лет свиного навоза в колхозе «Заветы Ильича» Ленинградского района. Азотфиксирующие микроорганизмы ассимилируют атмосферный азот в виде азотных соединений и сравнительно рано начинают накапливать его в сложном компосте. Наибольшее значение имеет Azotobacter, который в присутствии кислорода фиксирует атмосферный азот, переводит его в нитриты и нитраты, легко усвояемые растениями; азотобактер синтезирует и накапливает в компосте также различные витамины и биологические стимуляторы роста. Первые азотфиксирующие аэробные бактерии рода Azotobacter выделены в начале прошлого века голландским исследователем Бейеринком. Усвоение атмосферного азота осуществляют прокариоты – 160 свободноживущие азотфиксаторы (Azotobacter), а также цианобактерии. Наиболее изучен род азотфиксирующих бактерий Rhizobium. Представители этого рода в симбиозе с бобовыми стимулируют образование клубеньков, в тканях которых поселяются азотфиксирующие бактерии, поставляющие растениям азот, а от растений получающие углеводы. Свободноживущие почвенные бактерии и одноклеточные синезеленые водоросли фиксируют в десятки раз меньше азота по сравнению с клубеньковыми бактериямиазотфиксаторами (Волошина, 2011). Актиномицеты – плесневидные бактерии, или лучистые грибы, являются переходной формой между бактериями и грибами. Представители актиномицетов - аэробы, размножающиеся в основном в верхнем слое сложного компоста. Актиномицеты образуют простейший одноклеточный мицелий, часть которого обычно погружается в разлагающееся органическое вещество, а другая располагается на его поверхности. Актиномицеты синтезируют антибиотические вещества, которые подавляют рост и развитие патогенных бактерий и грибов, они способны сосуществовать с фотосинтезирующими бактериями; имеют большое значение в формировании плодородия сложного компоста, активно образуют гумус и гумусообразные вещества. Значительная часть актиномицетов синтезирует бурый пигмент и различные биологически активные вещества: антибиотики, гормоны, витамины группы В, существенно оздоравливающие сложный компост. Основная группа актиномицетов – гетеротрофы, в питании используют органические вещества (целлюлоза, различные углеводороды нефти, фенолы и т.д.), автотрофы используют минеральные источники. Актиномицеты полиморфны, экологически изменчивы, легко мутируют, для развития нуждаются в цинке и марганце, весьма полезны для очистки субстрата от всевозможных загрязнений, особенно органических (Белюченко, 2005 г). Молочнокислые бактерии – весьма важный компонент, производящий при их совмещении молочную кислоту (МК) из сахаров и других углеводов, синтезируемых фотосинтезирующими бактериями и дрожжами. МК является сильным бактерицидным средством, подавляющим и угнетающим рост и размножение патогенной микрофлоры, не нанося вреда полезным микроорганизмам; в частности способна подавлять распространение грибов Fusarium, ускоряет разложение органического вещества, а также усиливает разложение 161 лигнина и целлюлозы. Источником питания для МК-бактерий являются органические отходы животноводства и очистки зерна (Белюченко, Гукалов, 2003; Белюченко, Корунчикова, 2003). Фотосинтезирующие бактерии представляют независимую самоподдерживающуюся группу микроорганизмов, синтезирующих полезные вещества из выделений отходов растений, органических остатков и даже вредных газов (в случае сероводорода), использующих солнечный свет и тепло субстрата (например, конский навоз) в качестве источника энергии. Эта группа бактерий выделяет аминокислоты, нуклеиновые кислоты, биологически активные вещества и сахара, которые способствуют росту организмов, поглощаются ими без перевода в более простые формы и одновременно используются в качестве субстрата другими полезными микроорганизмами (Белюченко, Муравьев, 2008; Белюченко, 2014). Дрожжи являются составной частью сообщества микроорганизмов, синтезируют полезные для роста растений вещества из аминокислот и сахаров, продуцируемых бактериями и водорослями. Биологически активные вещества типа гормонов и ферментов, произведенные дрожжами, стимулируют ростовые процессы. Кроме того, в результате бродильных процессов, осуществляемых дрожжами, происходит естественное разрыхление сложного компоста и улучшение его структуры. Ферментирующие грибы в сложном компосте присутствуют в значительном количестве. Видовой состав их очень разнообразен и обусловлен условиями компостирования. Широко представлены в сложном компосте плесневые грибы, образующие ветвящийся мицелий, который переплетает массу органических веществ. Грибы разлагают органическое вещество, продуцируют этиловый спирт, сложные эфиры и антибиотические вещества. Они подавляют запахи и предотвращают заражение сложного компоста насекомыми и их личинками. Ферментирующие грибы являются весьма важными деструкторами остатков растений, являющихся трудноразлагаемыми для бактерий. Комплексы различных грибов с другими микроорганизмами перерабатывают остатки растений со сменой грибных сукцессий; некоторые виды грибов потребляют нефть и способствуют очистке почвы. Ферментирующие грибы выделяют пигменты и антибиотики, которые, соединяясь с другими органическими соединениями, образуют органоминеральные комплексы. Многие гри162 бы активно контактируют с корнями высших растений (с образованием грибокорня), способствуют снабжению растений водой, минеральными, главным образом фосфорными соединениями, а сами получают органический углерод. Подготовка сложного компоста для черноземных почв имеет важное значение. Приготовленные с использованием органических и минеральных экстрактов различных отходов экологические компосты являются безопасным органоминеральным удобрением, быстрее созревают, имеют повышенное содержание азота и фосфора. При заделке сложного компоста в почву вносятся одновременно и органоминеральные удобрения, и разнообразные микроорганизмы, способствующие восстановлению еѐ плодородия, подавлению развития патогенных микроорганизмов, повышению урожайности сельскохозяйственных культур и их способности переносить неблагоприятные условия. Компостирование является важнейшим приемом использования органических и минеральных отходов различных производств, способствующих сохранению питательных веществ при разложении органического вещества и увеличению доступности растениям многих элементов питания. Внесение сложного компоста повышает биологическое связывание азота и фосфора в почве (Белюченко, 2008). При смешивании различных отходов (промышленных, сельскохозяйственных, бытовых и природных) и их последующем компостировании нами был применен простой метод использования видового набора микроорганизмов для ускорения процесса переработки сложного компоста. Из старых запасов перегноя на ферме КРС (возраст примерно 2-4 года) отбирали разложившийся навоз и вместе с ним почву в соотношении 50 кг органического вещества на 150-200 кг воды, через 2-3 суток этой смесью 2-3 раза поливали сложный компост перед его смешиванием. Предварительные исследования использованной смеси показали, что еѐ состав включал основные эколого-фитоценотические группы микроорганизмов, описанные ранее. Процесс разложения органических веществ в компосте существенно ускорялся, и растения кукурузы в таких вариантах опыта при умеренной влажности достигали в высоту до 3 м и более и формировали в среднем до 2 початков на особь. 163 Процессы создания сложного компоста. Ферментативная активность сложного компоста, разложение в нем органического вещества, а также усиление дыхания приводят к образованию газообразных веществ, особенно азотных, и других соединений, легко инфильтрующихся в грунтовые воды, а в форме молекулярного азота переходящих в атмосферу. Ферменты, отличающиеся весьма коротким временем активности в сложном компосте (до нескольких суток), сорбируются твердой фазой и весьма быстро теряют способность ускорять происходящие процессы. Разложение органического вещества в сложном компосте в основном осуществляется микроорганизмами, и интенсивность этого процесса ко времени внесения в почву достигает 80-90% и длится 4-5 месяцев; при расходовании активности фермента переработка субстрата становится малоэффективной и органическое вещество нередко сохраняется в нетронутом виде в силу его недоступности бактериям и грибам (Белюченко, 2012 б). Численность микробных сообществ, указывающая, например, на буферность почвы, соответствует, с одной стороны, реальным возможностям трансформации органического вещества, а с другой – интенсивности взаимодействия органических и минеральных веществ. В летний период, начиная с третьего месяца, формируется достаточно активная система сложного субстрата с началом его перехода в сложный компост при совокупном развитии его физических, химических и биологических свойств (Белюченко, 2010 а; Попова и др., 2010). Развитие сложного компоста достигает оптимума при его способности переходить к равновесию или близкому к нему состоянию при умеренном колебании внешних условий. Такое развитие смеси определяется уровнем биологической активности отдельных отходов в системе сложного компоста. Реальная активность отходов в сложном компосте при его внесении в верхний слой почвы определяется способностью еѐ улучшать. Условия развития сложного компоста в каждом сезоне заметно различаются. Усредненный вариант активности развития сложного компоста трудно предусмотреть, поскольку всегда следует иметь в виду меняющиеся условия и их особенности не только по сезонам, но и месяцам и декадам. Биологическую активность сложного компоста логично определять по разви164 тию микроорганизмов, а также органическому и минеральному составу отдельных отходов и уровню реакции (рН). Численность микроорганизмов, по которой можно определить их биомассу, представляет собой отклонение от минимума, свойственного конкретному отходу (например, минимум обеспеченности в самый неблагоприятный период). Количество микроорганизмов не столько определяется варьированием температуры, влажности, содержанием органического вещества, сколько связано с составом всех отходов, включенных в сложный компост со свойственными ему физическими, химическим и биологическими характеристиками, складывающимися в процессе его развития и вызывающими серьезные изменения за относительно короткий срок в летний период (с апреля до октября), а также с различными воздействиями загрязнений, агротехнологий и т.д. Оптимальность сочетания и сохранения ресурсов сложного компоста во многом обусловлена непрогнозируемыми факторами среды всех отходов и соотношениями в них C:N и С:Р, количеством органического вещества в них, реальным изменением температуры и количества осадков, а также минимальным сообществом микроорганизмов, складывающимся в определенный период времени. В черноземе обыкновенном северной зоны края в летний период для начала контроля состояния сложного компоста можно использовать срок 12-15 дней от его формирования при определении степени развития сообщества микроорганизмов. Повышение биологической активности сложных компостов следует считать плюсом в их развитии. При смешивании отходов перемешивание микроорганизмов в массе субстрата обычно затруднено, особенно на первом этапе в связи с их адсорбцией минеральными веществами (в первую очередь монтмориллонитовой глиной). В отдельных условиях при смешивании разных отходов проявляются вариации источников энергии, значений рН, температуры и т.д. В связи с расширением состава сложных компостов возникают новые аэробные и анаэробные процессы, нарастает численность азотфиксирующих и аммонифицирующих организмов, использующих органические и минеральные коллоиды. Некоторые микроорганизмы в 165 сложных компостах в органических соединениях мигрируют в направлении их наименьшей концентрации. По мере формирования (созревания) сложного компоста активируется разложение органического вещества при одновременном снижении активности процессов нитрификации и денитрификации; сама система компостирования в своем развитии достигает оптимума, включая и развитие сообщества микроорганизмов, особенно бактерий. Возможности развития микроорганизмов направлены в сторону снижения потерь различных веществ и в первую очередь органических (Мельник, 2010 б). Микроорганизмы в сложном компосте в основном приурочены к живым и мертвым макроорганизмам, представляющим для них важнейший источник энергии, и только отдельные виды способны питаться на минеральных субстратах, используя для этих целей серу, железо и другие элементы (Белюченко, 2005а). Устойчивость сложных компостов и их физиологическая и химическая активность определяются в первую очередь микробиологическими механизмами регуляции. В органических отходах, особенно в осадках сточных вод, в отходах переработки овощей, фруктов, сахарной свеклы и другой продукции растениеводства, образуются группы микроорганизмов, которые не имеют в запасе всех необходимых им элементов питания, что сдерживает, и весьма существенно, развитие их популяций. Среди лимитирующих факторов в развитии живых организмов (бактерий, грибов, актиномицетов, водорослей, представителей микро- и мезофауны) в сложном компосте является нехватка органического вещества и особенно его разнообразия (углеводов, белков, ферментов и других), а в минеральном варианте – калия, серы, фосфора и т.д. В определенные периоды года для развития живых организмов не хватает тепла (зима) или влаги (лето). Летнюю влагу можно вполне восполнить поливом водой из жижесборников, а недостаток тепла в некоторой степени восстановить закладкой сложных компостов в виде буртов между двумя стогами соломы высотой до 2,0-2,5 м. В период созревания сложного компоста его развитие поддерживается нарастанием числа и массы популяций отдельных организмов в весьма широких пределах. В 1 г сложного компоста на основе 166 полуперепревшего подстилочного навоза КРС за два месяца его формирования образуется от 22 до 35 млн микробных клеток, а также наблюдается значительное обилие грибных гиф, актиномицетов и водорослей, что существенно превышает аналогичные показатели в массе простого навоза. На 1 м3 компоста приходится до 50-70 кг массы живых организмов. В сложных компостах различные организмы активно размножаются, быстрее достигают максимальной численности популяций, участвующих в формировании микробного сообщества. Микроорганизмы в сложных компостах лучше обеспечены растворимыми и нерастворимыми соединениями и прежде всего углеводами, нитратами, аммонием, подвижным фосфором, микроэлементами, что обеспечивает лучшие условия для их выживания, размножения и развития (Белюченко, 2003а; Белюченко, Корунчикова, 2003). В сложном компосте на первом этапе его формирования можно выделить группы живых организмов, определяющих активность его развития в основном при смешивании органических отходов. Другая группа способствует развитию сложного компоста при перемешивании органической и минеральной массы. Наконец, третья группа активно развивается при перемешивании сложного компоста и почвы, когда микробоценозы сложного компоста и почвы (верхний слой 0-20 см) объединяются и в своем дальнейшем развитии достигают равновесия. Основу сообщества живых организмов в созревающих сложных компостах составляют гетеротрофы, и значительная часть получаемой ими энергии при минерализации органического вещества расходуется на поддержание их биомассы. Осуществляя процессы минерализации органических веществ, микроорганизмы используют до трети энергетического материала на свой рост и размножение (Белюченко, Корунчикова, 2003). В комплексе организмов, включающих бактерии, грибы, актиномицеты, одноклеточные водоросли и другие таксоны, особое место в сложном компосте занимают грибы, представляющие весьма разнообразную группу организмов различных ступеней эволюционного развития и распространения в природе. По разнообразию они занимают по численности третье место после животных и рас167 тений. В сравнении с другими организмами грибам свойственно весьма важное качество – экономный обмен веществ, использование большого количества органического углерода и азота из разлагаемых ими соединений для построения своего тела (свыше 60% расщепленных ими веществ переходит в слоевище грибов). Эта группа микроорганизмов активно участвует в развитии сложного компоста. С переходом их в почву усиливается биологическая активность и продуктивность сельскохозяйственных культур, особенно, это касается фосфорного питания. В заключение следует подчеркнуть, что основу создания сложных компостов составляют различные отходы промышленного и сельскохозяйственного производства, бытового и природного происхождения, заключающие весьма существенные резервы биосферной энергии. Воздействие человека на развитие биосферы во много раз превышает влияние природных процессов разрушения ландшафтов, начиная от их гибели в Северной Африке в IV и V веках до нашей эры и до ежегодного отчуждения земель и их современного превращения в пустыни, засоления и выветривания почв на больших территориях, чрезвычайного загрязнения рек, морей и океанов, воздушного пространства. Изменение ландшафтов на сегодня в целом можно определить как негативное. Наиболее важным составляющим биосферы являются почвы, которые необходимо спасать человеку от самого себя и думать, как это лучше сделать. Предлагаемый вариант формирования и использования сложного компоста, предусматривающий улучшение многих позиций почвенного процесса – физических, химических и биологических особенностей с учетом конструирования верхнего слоя почвы, предлагается в этой дискуссии. Анализируется формирование сложных компостов во времени и в пространстве с использованием различных возможностей образования сульфата аммония, формирования активных эколого-трофических групп микроорганизмов, усиливающих ферментативную активность в плане преобразования различных отходов в органическое удобрение. На первом этапе формирования сложного компоста можно выделить группы живых организмов, определяющих активность его развития в основном при смешивании органических отходов; 168 другая группа живых организмов способствует развитию сложного компоста при смешивании органических и минеральных отходов, а третья способствует активному развитию при перемешивании сложного компоста и почвы, которые со временем достигают своего оптимального развития. В комплексе микроорганизмов особое место занимают грибы, представляющие разнообразную группу организмов различных ступеней эволюционного развития и распространения в природе, имеющие самый экономный обмен веществ и способствующие активному процессу предохранения верхнего слоя почвы от разрушения. 169 ГЛАВА 8. СЛОЖНЫЕ КОМПОСТЫ И ИХ КОМПЛЕКСНОЕ РАЗВИТИЕ PROBLEMS OF DEVELOPMENT OF COMPOUND COMPOST Compound compost during its formation involving organic and mineral wastes retains of organic matter by reducing its degradation products by nitrifying and denitrifying organisms, its economical expenditure of phosphorus and calcium, increased ammonia and total nitrogen, formation in the process development of calcium sulfate with participation in its formation of residue calcium salt and ammonia. Сложный компост с участием органических и минеральных отходов в процессе своего формирования заметно сохраняет органическое вещество через уменьшение количества продуктов разложения нитрифицирующими и денитрифицирующими организмами, за счет экономного расходования фосфора и кальция, увеличения аммонийного и общего азота, формирования в процессе развития сульфата кальция при участии в его образовании остатков солей кальция и газообменного аммиака. Живые организмы в сложном компосте достаточно свободно мигрируют по различным направлениям. Например, при наличии легкоразлагаемых органических веществ (листовая масса, подстилка, плоды и т.д.) микроорганизмы, спососбствующие их разложению, в сложном компосте отличаются быстрым нарастанием численности популяций отдельных таксонов и значительным разнообразием видов (Артемьева, 2008). Сформированный сложный компост нередко выделяется большим разнообразием видов микроорганизмов, способных продуцировать многие активизирующие разложение вещества, включая аминокислоты, витамины, ферменты, и другие соединения. Работы по вопросам и способам формирования именно сложных компостов включающих большое разнообразие различных отходов (органических, минеральных, органоминеральных), ведет кафедра общей биологии и экологии Кубанского ГАУ, и потому на исследования ряда наших специалистов, опубликованных в основном в последние 8-10 лет исследований, мы и ссылаемся. 170 При размещении различных отходов в буртах образуются сложные компосты, где в определенной степени дублируются процессы развития микроорганизмов в почве. При внесении в верхний слой почвы сложные компосты являются благоприятной средой для создания новых экологических ниш (Белюченко, 2001а; Белюченко, Корунчикова, 2003; Белюченко, Муравьев, 2008), свойственных широкому кругу живых организмов. В процессе компостирования в условиях обеспеченности пищей количество клеток микроорганизмов в сложном компосте достигает большой численности, но их видовой набор сравнительно ограничен; при развитии в менее благоприятных условиях численность микроорганизмов снижается, но их таксономический набор более разнообразен. При улучшении условий питания микроорганизмы заметно усиливают процессы минерализации органического вещества. В начале формирования сложного компоста при смешивании в нем нескольких видов отходов преобладают органические вещества, трансформация которых протекает весьма быстро, и значительная часть живых организмов, куда относятся споры бактерий, грибов, актиномицетов и других групп, находится в покоящемся состоянии. Образование комплекса органических и минеральных отходов при формировании сложного компоста сдерживается, особенно во второй половине лета, развитием микроорганизмов, поскольку поступление свежего растительного материала в систему заметно снижается. В органических отходах (свиной навоз, куриный помет, осадки сточных вод, отходы овощной продукции и т.д.) на различных стадиях их преобразования формируется сравнительно много спиртов, сахаров, органических кислот и других соединений, которые как раз и поддерживают жизнедеятельность микроорганизмов в течение всего периода развития сложного компоста, заменяя ему отсутствие поступления свежего растительного материала (Белюченко, 2008; 2011в). Органические вещества и сложный компост. В сложном компосте имеется определенный запас энергетических ресурсов для микроорганизмов, включая различные по природе органические вещества. При благоприятных условиях развития в сложных компостах микроорганизмами перерабатывается за весьма короткое время летнего периода столько органических веществ, сколько в обычном режиме не поступает в почву и за год. Довольно активная транс171 формация органического вещества характерна для отходов щелочного типа (свиной навоз в контакте с кислой средой фосфогипса, обогащенного кальцием, серой, фосфором и многими микроэлементами, навоз КРС и куриный помет в сочетании с галитами, сильвинитами, известковой водой и другими соединениями) (Белюченко, 2002). Высокая активность органических и минеральных соединений проявляется при их смешивании в условиях хорошего увлажнения (60-75%) и высоких температур (27-32оС); при низких показателях указанных факторов ферментативная активность развития сложного компоста резко снижается (Белюченко и др.; 2012 д). Температура является своего рода пусковым механизмом развития сложных компостов в весенне-осенний период: весной ускоряет процесс переработки материала через развитие отдельных популяций микроорганизмов, а осенью существенно их приостанавливает (Кураков, Белюченко, 1994). Увеличение популяций микроорганизмов и их активности весной идет параллельно с постоянным поддержанием высокой температуры сложного компоста, его увлажнением и улучшением пищевого режима, особенно нарастанием свежей органической массы. В осенний период развитие популяций микроорганизмов связано с увеличением количества сочных растительных отходов, с одной стороны, а с другой, с хорошим увлажнением и сохранением еще не смытых дождями многих биологических выделений, особенно выделений из влажных отходов (ботва сахарной свѐклы, отходы овощных культур, плодовых и т.п.). Многие относительно большие по численности прокариотные и эукариотные микроорганизмы еще сильнее увеличивают свои популяции в развивающихся в этот период сложных компостах, что способствует консервированию их азотной и углеродной составляющей (Муравьев и др., 2008 б; Муравьев, Попок и др., 2008; Попова и др., 2010). Варьирование числа видов микроорганизмов и численности их популяций в сложных компостах связано с периодическими колебаниями количества различных газов, а также изменением концентрации других соединений, включая и токсические. Наличие в фосфогипсе фосфора, сульфидов, оксидов железа, кремнезема и ряда других окислов способствует минерализации клеток отмерших микроорганизмов органических отходов. 172 Единство физических и химических связей минерального субстрата и органических веществ в сложном компосте при развитии физико-химических и биологических процессов еще теснее, если в смеси содержатся активные соединения кремния, алюминия, железа, свинца и ряда других элементов. Обязательным условием формирования сложного компоста еще в самом начале его образования является тщательное перемешивание всех отходов с целью равномерного распределения между собой различных органических и минеральных соединений (Белюченко, 2005 а, б; 2008; 2011 а). Микробиологический анализ сложных компостов с преобладанием в нем органической массы показал, что доминирующее положение занимает прокариотный комплекс, в котором на определенной стадии наиболее многочисленны микроскопические грибы. Общая численность бактерий в почвах при выращивании сельхозкультур варьирует в весьма широких пределах (от 31 до 73 млн клеток), среди которых наблюдается заметное доминирование аммонифицирующих групп (табл. 8.1). Таблица 8.1. Численность эколого-трофических групп микроорганизмов в разных субстратах (2008 г.) Вариант опыта Почвы (NP) Полуперепревший навоз КРС Сложный компост Аммонифицирующие, *10-6 КОЕ/г 46 Микроорганизмы Амило- Олиголитичетрофские, ные, *10-6 *10-5 КОЕ/г КОЕ/г 25 33 Нитрифицирую рующие, титр 10-5 Микромицеты, *10-3 КОЕ/г 4 -5 5 6 64 35 49 10 85 51 72 10-4 Результаты исследований показали, что при создании сложного компоста со значительным участием органических остатков различных культур (озимая пшеница, кукуруза, подсолнечник) наблюдается увеличение численности микробного сообщества, что обусловлено, видимо, изменением химизма субстрата. Все части микробного сообщества в зрелом сложном компосте связаны друг с 173 другом и со средой своего обитания. Микроорганизмы весьма заметно реагируют на изменения условий среды: снижение рН до нейтральной и улучшение аэрации способствуют активизации микробиологических процессов. Установлено, что фосфогипс, входящий в состав сложного компоста, ингибирует развитие нитрифицирующих бактерий, снижает их численность, которая наиболее высока в почвах под озимой пшеницей (Белюченко, 2003 а). Важной группой микроорганизмов в сложном компосте являются актиномицеты, на долю которых приходится значительное участие в круговороте минеральных элементов, поскольку именно они осуществляют в трофической цепи функции микробовредуцентов (табл. 8.2). Было установлено, что на голодном агаре численность и видовое разнообразие актиномицетов было значительно выше. В исследуемых образцах широкое распространение имели представители таких родов, как Micromonospora, Nocardia, Nocardiopsis, Streptоmyces, а наиболее редко встречающимися были представители рода Streptosporangium. При изучении таксономического разнообразия микроорганизмов в вариантах с использованием сложного компоста, в котором доля соломы озимой пшеницы доходила до 30%, было установлено наличие представителей родов Micromonospora, Nocardia, Streptоmyces и др. Наиболее многочисленным в исследуемых компостах оказался род Streptоmyces, входящий в состав микробного комплекса, осуществляющего процесс разложения органических веществ и характеризующегося достаточно широким видовым спектром. Анализ полученных данных показал, что наиболее часто встречаются актиномицеты, относящиеся к секции Cinereus, реже выделялись представители серий Aureus, Chromogenes, Violaceus. Таблица 8.2. Численность микроорганизмов на крахмально-аммиачном и голодном агаре (2008 г.) Вариант опыта Почвы (NP) Полуперепревший навоз КРС Амилолитические, 10-6 КОЕ/г общее из них количеств актиномицео тов 33 3 4 40 174 Олиготрофные, 10-4 КОЕ/г общее из них количес актиномицетво тов 37 30 46 35 Сложный компост 74 5 73 42 Следует отметить еще одну весьма важную группу микроорганизмов, включающую плесневые и дрожжевые грибы, занимающие весьма значительное место среди других микроорганизмов по числу таксонов и их биомассе. Наибольшая встречаемость этих микроорганизмов отмечена в вариантах, где вносилось много органических веществ. Микроскопические грибы, являющиеся одной из крупных экологических групп и минерализующие органические остатки благодаря наличию разнообразных гидролитических ферментов, активно участвуют в превращениях соединений углерода и азота и способствуют улучшению структуры сложного компоста через агрегацию его мелких частиц (Белюченко, 2010 г; Белюченко, Мельник, 2014). Наиболее широко распространены в разных вариантах сложных компостов представители родов Penicillium, Trichoderma, Aspergillus, Fusarium, Rhizopus, Cladosporium, Alternaria. Среди дрожжевых грибов наиболее часто встречались виды родов Lypomyces и Candida. Обычно они отмечались в бактериальнодрожжевом комплексе азотфиксирующих микроорганизмов. В развитии сложного компоста также отмечено увеличение численности микроскопических грибов. В вариантах с разным участием в сложном компосте отдельных групп культур также встречались микромицеты таких родов, как Penicillium и Aspergillus. Следует отметить, что в варианте с внесением сложного компоста с участием отходов озимой пшеницы грибы рода Fusarium в смешанном варианте не были выделены. Сочетание бактерий и грибов в сообществе микроорганизмов в сложном компосте имеет большое значение в оценке соотношения в них углерода и азота. При близком соотношении этих элементов в сложном компосте преобладают бактерии, и, наоборот, при значительном расхождении их количества доминируют грибы. Грибы и бактерии в сложном компосте значительно различаются по эффективности использования углерода, по разложению и стабилизации органического вещества, а также по особенностям метаболизма и в накоплении биомассы. При увеличении доли органического углерода в сложном компосте (нарастание общей биомассы) меньше расходуется на дыхание, меньше уходит в форме СО2 в атмосферу и 175 заметнее развивается в агроландшафте устойчивость сложного компоста, лучше сохраняется органическое вещество. При недостатке азота доля грибов и бактерий в сложном компосте составляет около 65-70%, а при добавлении азота их участие повышается примерно на 10-12% (Белюченко, Корунчикова, 2003; Белюченко, Гукалов, 2008). Грибы и бактерии в сложном компосте различаются уровнем соотношения C:N; у бактерий этот показатель в 2,0-2,5 раза ниже, чем у грибов. Еще значительнее это расхождение для эктомикоризного мицелия, у которого показатель накопления органического углерода превышает таковой в 15-20 раз, на что убедительно указывают результаты выращивания кукурузы в азотном варианте и в варианте со сложным компостом при участии полуперепревшего навоза КРС и фосфогипса (Кураков, Белюченко, 1994). Многие виды микроорганизмов – бактерии, грибы, актиномицеты и другие таксоны – в сложном компосте находят вполне удобные для их развития и размножения новые экологические ниши. В сложном компосте микроорганизмы по–разному защищены возможностью минералов связывать метаболиты, которые снижают рост микроорганизмов и препятствуют обезвоживанию клетки физическими барьерами: диаметр бактерий доходит до 4,0 мкм, а грибных гиф - до 8 мкм. Гифы грибов редко встречаются в микропорах, а бактерии, наоборот, их заселяют и защищаются от ряда хищников. По сравнению с бактериями грибы имеют высокую степень защищенности от разложения из-за тесного взаимодействия с глинистыми минералами и почвенными агрегатами; скорость отмирания защищенной биомассы микроорганизмов в сутки весьма незначительная, а незащищенной, наоборот, очень существенная. Роль микроорганизмов в формировании сложного компоста. Функциональное значение микроорганизмов в образовании сложного компоста весьма велико. Наиболее важные биохимические процессы разложения трудноразлагаемых органических веществ (кочерыжки кукурузы, еѐ корни, стебли, однолетние побеги кустарников и т.д.), различающихся по своей природе, выполняют разнообразные по своей экологической функции микроорганизмы: молочнокислые, фотосинтезирующие, азотфиксирующие и ферментирующие бактерии, грибы, дрожжи, почвенные актиномицеты и другие группы. Большинство указанных групп в меньшем или 176 большем количестве встречается практически в разных органических отходах; их мало в растительных остатках, но много концентрируется во всех видах навоза, осадках сточных вод, курином помете и других субстратах. Например, азотфиксация осуществляется многими прокариотными микроорганизмами: автотрофными и гетеротрофными, различными фотосинтезирующими и клубеньковыми бактериями, в частности, представителями родов Azotobacter, Clostridium и многими другими. По своей функциональной роли микроорганизмы в сложном компосте представлены азотфиксаторами, нитрификаторами, денитрификаторами, аммонификаторами, целлюлозолитическими, пектинолитическими и другими трофическими группами. Нитрификация осуществляется группой хемолитотрофных бактерий, а гетеротрофная нитрификация – рядом гетеротрофных бактерий и грибов. Гидролиз труднорастворимых фосфатов в фосфогипсе сложного компоста, окисление в его составе железа и марганца и их восстановление также осуществляется функционально разнообразными микроорганизмами. Отдельные процессы, протекающие в сложном компосте с участием различных видов микроорганизмов, являются особенно важными. К примеру, Azotobacter относится к группе основных азотфиксаторов. Среди денитрификаторов выделяются Pseudomonas denitrificans и другие виды. Сходные процессы в сложном компосте свойственны также другим группам микроорганизмов с учетом условий среды их обитания. Например, в случае отсутствия в сложном компосте связанного азота многие микроорганизмы осуществляют азотфиксацию; при недостатке кислорода и наличии связанного азота усиливаются процессы нитрификации и денитрификации. При определѐнном режиме развития сложного компоста наличие кислорода регулирует соотношение азотфиксации и денитрификации. Многие физиологические реакции в сложном компосте определяются бактериями и протекают очень активно. При накоплении определенной биомассы белка бактерии способны выступить в сложных компостах на отдельном этапе и в определенных условиях в роли аммонификаторов и в то же время в другом режиме выполняют функции нитрификаторов и денитрификаторов, что говорит о многофункциональности некоторых групп живых организмов. Аналогичные свойства можно отметить в сложном компосте также для 177 грибов, актиномицетов, одноклеточных водорослей и других микроорганизмов. В отдельных случаях отмечается дублирование процессов разложения органических веществ в сложном компосте различными видами бактерий. Чем меньше в сложном компосте кислот (соляной, серной, азотной, угольной и других), тем медленнее протекают процессы разложения в верхнем слое почвы пестицидов, фенолов и других загрязнителей и тем больше их накапливается в почве. Можно предположить, насколько важным для поддержания равновесности в развитии сложных компостов, где проходят одновременно процессы разложения (нитрификация, денитрификация и др.) и образования других веществ (ферментов, витаминов и т.д.) при разных температурах является дублирование разных групп микроорганизмов, отличающихся своей экологией, занимающих близкие экологические ниши, варьирующих во времени и пространстве. Микроорганизмы разлагают в сложном компосте органические вещества с доминированием гетеротрофного процесса и образованием углекислого газа. В сложном компосте микроорганизмы разрушают одни (например, целлюлозу) и образуют другие органические вещества (например, белки, сахара и др.). При азотфиксации или денитрификации в сложном компосте осуществляется окисление и восстановление соединений азота; окисляются и восстанавливаются отдельные элементы с переменной валентностью – марганец, сера и др. В сложном компосте протекают разные процессы, осуществляемые разными видами организмов, выполняющих роль стабилизирующего механизма в управлении развитием субстрата. В начале формирования сложного компоста образуются участки с различным содержанием отдельных элементов и веществ (фосфора, серы и других элементов), в том числе и органических. Включение в сложный компост многообразных отходов типа осадков сточных вод, куриного помета, свиного навоза, фосфогипса, галита и некоторых других расширяет его экологические ниши и способствует увеличению как численности отдельных популяций микроорганизмов, так и их видового разнообразия. При выпадении дождей происходят определенные сдвиги в составе и развитии сложного компоста (Белюченко, 2004; Белюченко, Мамась, 2005). Формирование сложного компоста в различных условиях способствует сочетанию различных макро– и микроэлементов, а также 178 микроорганизмов. Не во всех отходах могут обитать в нужном количестве столь важные микроорганизмы, осуществляющие, например, фиксацию азота (клубеньковые бактерии, азотобактер, некоторые актиномицеты), которые обнаруживаются в количестве тысяч клеток на 1 г выделенного сложного компоста. Вопрос о наличии в сложном компосте различных микроорганизмов, осуществляющих фиксацию азота или выделение других элементов питания, с учетом сезонных колебаний в процессе адсорбции почвенных частиц, а также сукцессионных колебаний микробоценозов весьма сложен и требует отбора значительного количества образцов (как правило, не менее 30), а также повторения анализов при тщательном исследовании в его разных смесях. В сложных компостах, отличающихся широким разбросом физических, химических и биологических характеристик, состав и содержание любых минеральных элементов в зависимости от конкретной территории, будет разным. Сочетание в сложном компосте различных органических отходов привносит в него большие количества элементов с учетом их валового и подвижного состава. В сложном компосте далеко не все его зоны богаты минеральными элементами, и с этим обстоятельством связаны различия в скорости и интенсивности минерализации в целом органического вещества. Сложный компост создает определенный запас органического вещества с учетом разнообразия минеральной основы, что и формирует в нем среду обитания отдельных групп микроорганизмов. Сложный компост является многогранной гранулометрически и химически органоминеральной смесью и потому не может представлять равновесную среду обитания, особенно в начальный период. Именно сложность состава компоста, включающего разнообразные органические и минеральные вещества, позволяет анализировать его как субстрат, различающийся условиями формирования сообществ различных микроорганизмов, которые найдут свое местообитание во множестве его разнообразных дисперсных и коллоидных систем. Микроорганизмы нередко осваивают каждую органическую частицу сложного компоста, а их удивительная способность к адаптации позволяет приспосабливаться к самым разным ситуациям. Значительно отличаясь скоростью размножения и временем перехода к покою, микроорганизмы в сложном компосте при неблагоприятных условиях (температура, влажность, загрязнение 179 тяжелыми металлами и др.) способны быстро осваивать органические дисперсные системы, составляя отдельные микроколонии из разнотипных видов, которые нередко развиваются относительно изолированно (Белюченко, Петренко, 2012). Важное значение в развертывании круговорота веществ в сложных компостах имеют те популяции микроорганизмов, которые выделяются при определенных условиях (благоприятная температура, богатство субстрата, увлажнение) высокой активностью. Изучать в сложном компосте все виды микроорганизмов в целом нет необходимости. Достаточно выделить в них доминирующие виды, характеризующие развитие конкретных процессов. Для бактерий нередко принимается условный показатель их численности (например, на 1 г субстрата приходится около 1 млн клеток). Для грибов и актиномицетов в сложных компостах можно принять другие экологические оценки с учетом их численности, размеров, а также особенностей метаболизма. Обычно их численность составляет порядка 1х104 КОЕ/г субстрата. В равнинных ландшафтах важную роль играют лесные массивы, оказывающие существенное влияние на соотношение различных групп микроорганизмов (Белюченко и др., 2010 а). Газообразные, жидкие и твердые отходы. Важные для развития живых организмов биологически активные вещества в сложных компостах (аминокислоты, антибиотики, стимуляторы и ингибиторы роста, ферменты, витамины, токсины) нуждаются в серьезных продолжительных исследованиях. На первое место следует поставить газообразные вещества, которые в сложных компостах быстро перемещаются и существенно влияют в целом на газообмен во всей системе, а при правильной компоновке могут формировать соли отдельных удобрений (азотных, фосфорных и т.д.). Функционирование некоторых видов организмов в этом случае отмечается при учете показателей массы и качественного состава газообразных отходов еще в самом начале составления сложных компостов. Например, аммиак NH3 – бесцветный газ с характерным резким запахом, растворяется в воде, образуя сильнощелочной раствор. Образуется при гниении органических веществ под влиянием уреазоактивных анаэробных бактерий, активность которых усиливается при повышении температуры: летом его концентрация выше, зимой – ниже. Высокие его концентрации вызывают отравление организ180 мов: раздражают верхние дыхательные пути человека, возбуждающе действующее на центральную нервную систему, вызывают ожог слизистой оболочки, повышают кровяное давление, усиливают частоту дыхания; при высоких концентрациях (до 35 мг/м3) возможен ожог легких, нарушение пищеварения и т.д. Сероводород (H2S), встречающийся в отходах с выбросами нефти и газа, – бесцветный газ с резким неприятным запахом, образуется при бактериальном гниении высокобелковых продуктов растительного и животного происхождения. Вдыхание газа вызывает нервные расстройства, нарушение кровяного давления; у животных падает продуктивность. Образуются и другие газы в зависимости от органического состава отходов. Второе место в отходах занимают жидкие вещества, которые существенно меньше перемещаются, но заметно влияют на водный обмен в сложном компосте и при удачном соотношении его составляющих формируют различные соли, улучшающие пищевой режим как животных, так и высших растений. Третье место остается за твердыми веществами, которые определяют активность газообразных и жидких веществ и тем самым поддерживают условную стабильность развития в целом всего сложного компоста (Белюченко, 2012). Данные о функциональной роли живых организмов в системе сложных компостов еще недостаточны, хотя этот вопрос имеет важное практическое и теоретическое значение. Минерализация органического вещества и трансформация органического и минерального азота, а также ряд других вопросов формирования сложных компостов затрагивает формирование различных соединений при постепенном превращении многих отходов в однородную смесь. Проанализировав некоторые процессы, прохождение которых в сложных компостах немыслимо без микроорганизмов, в первую очередь следует обратить внимание на переработку ряда отходов и их превращение в источник питания для грибов, бактерий, актиномицетов, водорослей, некоторых представителей мезо- и микрофауны. Трансформация многих из этих отходов формирует новые соединения, существенно расширяющие и углубляющие экологические ниши в целом всего субстрата (Белюченко, 2001 а; 2013). Сложный компост, как никакое другое искусственное образование, представляет трехфазную систему, способную трансформи181 роваться в среды обитания (твердую, жидкую и газообразную) различных групп биоты, включая в целом жизненное пространство для живых систем (Белюченко, 2003 а; 2008). Основной субстрат сложного компоста и его развитие в целом проходит по аналогии с почвой и в то же время отличается спецификой ускорения и условий прохождения некоторых фенофаз для отдельных живых представителей биоты, образующих свои микроколонии, а также развитием физико-химических процессов, серьезно преобразующих систему формирования минеральных соединений в верхнем слое полученного субстрата. Сложные компосты и активность их формирования. Состояние колоний микроорганизмов в разных видах сложных компостов имеет важное значение, поскольку активность их развития во времени и пространстве зависит от концентрации органического вещества (полуперепревший навоз КРС, солома пшеницы, ячменя, кукурузы, стебли подсолнечника и др.), многообразия и широкого спектра органических соединений (аминокислоты, белки, крахмал, нуклеиновые кислоты, ферменты, витамины, целлюлоза), а также различия минеральных соединений и разнонаправленности ряда важных процессов (аммонификация, азотфиксация, трансформация многих органических и минеральных веществ, минералов и др.), которые также находятся в очень тесной взаимосвязи. Поверхность субстрата сложных компостов отличается значительным физическим, химическим и биологическим разнообразием и потому активно способствует жизнедеятельности различных по функциям популяций микроорганизмов. В сложном компосте микроорганизмы находят десятки экологических ниш, различающихся своим химизмом, составом и содержанием питательных веществ, а также реакцией среды. В создании почвоподобного состава в системе сложного компоста активно участвуют многие живые организмы, где продукты их жизнедеятельности выполняют цементирующую роль в создании множества мелких дисперсных и коллоидных частиц (Белюченко, Муравьев, 2008). Многие бактерии, актиномицеты, водоросли и грибы в сложном компосте образуют слизи пептидной и углеводной химической природы, а с глинистыми частицами формируют водопрочные образования размером до 2 мм. Большую роль в этом плане играют также микроскопические грибы и некоторые одноклеточные водорос182 ли, которые заметно влияют на оструктуривание субстрата сложных компостов через выделение различных сахаров, склеивающих минеральные и органические частицы, своими нитевидными талломами скрепляют мелкие структуры субстратов и формируют новое образование с новыми структурными связями. В основном такой процесс идет в верхнем слое компоста 0-10, 0-12 см с его перемешиванием каждые 10-12 дней в теплый период года, что ускоряет образование ими почвоподобных структур при активном развитии живых организмов, в основном грибов и водорослей; значение бактерий и актиномицетов в этом плане незначительное. Активную роль в формировании почвоподобных структур в сложном компосте играют мелкие одноклеточные водоросли на кислых субстратах (например, фосфогипс, зола и др.), где они, выделяя слизистые вещества, объединяют мелкие коллоидного типа частицы органоминеральной природы, а также своими нитями связывают и уплотняют их, делая такие объединения достаточно устойчивыми. Некоторые живые организмы выделяют весьма активные вещества, разрушающие комковатую почвоподобную структуру и не способствующие еѐ укреплению (подкисляющие бактерии), особенно при внесении азотных удобрений. Сложные компосты служат хранилищем некоторых видов живых организмов определенной географической зоны и представляют широкий спектр почвенных и растительных микробоценозов. Учитывая эти обстоятельства, из сложной смеси нескольких отходов можно отбирать пробы формируемого субстрата и изучать наиболее ценные виды микроорганизмов (бактерии, грибы, актиномицеты и водоросли) в сравнении с природными объектами, какими являются условно нетронутые территории. Гифы грибов способствуют построению мостиков между внутренними и поверхностными слоями сложного компоста и меньше всего зависят от пространственного расположения разных отходов. Подвижность в компосте разных видов бактерий сравнительно ограничена, и они используют наиболее доступные им отходы (Кураков, Белюченко, 1994). Грибы различают и трансформируют различные формы лигниновых комплексов. Для разложения множества таких соединений многочисленные бактерии выделяют необходимые специфические ферменты. В сложном компосте, а также в почве, куда они вносятся, 183 сравнительно долго сохраняются остатки растительных веществ, содержащих меланин, хитин, стенки грибных клеток и другие образования. Относительно быстро происходит разложение фосфолипидов из мембран бактерий, что существенно снижает накопление углерода и в целом органического вещества в системе. Микроорганизмы, особенно бактерии и микроскопические грибы, входящие в систему сложного компоста, существенно трансформируют весь комплекс питательных веществ и влияют на протекание в нем окислительно-восстановительных процессов. На состав питательных веществ в сложном компосте живые организмы влияют через органические кислоты, которые образуются при разложении растительных остатков и дисперсии минералов, а также экстракции фосфора, кремния, железа и других элементов (Белюченко, 2008). Роль микоризных грибов как облигатных симбионтов в стабилизации органического углерода в сложных компостах весьма существенная, а их внесение активирует освоение растениями большого объема почвы, что сказывается на концентрации в биомассе самих грибов углерода (около 1х103 кг/га), представленного в составе устойчивого к разложению хитина. В микоризных грибах в сложном компосте органический углерод может накапливаться также в форме гломалина, весьма устойчивого к распаду гликопротеида, активно взаимодействующего с минералами почвы и отходов промышленности (например, фосфогипсом), что сказывается на существенном упрочнении их агрегатов. Микоризные грибы через свои гифы вместе с мелкими корнеподобными выростами водорослей формируют густую сеть, уплотняющую органоминеральные частицы сложного компоста, а при его внесении в почву усиливают их прочность в агрегатах. Велика также роль автотрофных бактерий в трансформации ими углекислого газа. Биологические структуры в сложном компосте (микроорганизмы, растительные и животные организмы) в ходе разложения органических веществ освобождают органический углерод и азот, серу и кальций и другие биогены, осуществляя основную функцию в системе отбора и накопления питательных веществ. Большое значение имеют аэробные микроорганизмы, которые способны вегетировать на поверхности корней растений, поставляя им необходимые макроэлементы (в основном N, P, S) и другие активные биогены, благоприятствующие росту отдельных веществ, включая ауксины и 184 витамины. В сложном компосте и почве, гумусе и в живых организмах азота содержится больше, чем в растениях и животных, где он концентрируется в малодоступной форме медленно распадающихся органических соединений. Фиксация молекулярного азота атмосферы прокариотными организмами весьма важна для снабжения этим элементом растений и имеет большое значение в агроландшафте, поскольку биологический азот важнее и эффективнее промышленного (Белюченко, 2012). Азотфиксирующие бактерии в сложном компосте разделяются на симбиотические и несимбиотические; по долевому соотношению в сложном компосте преобладают, и весьма существенно, несимбиотические бактерии. Первая группа формирует клубеньки на корнях бобовых, а также деревьев и кустарников – например, ольха и облепиха. Несимбиотические бактерии, достаточно многочисленные и многообразные, зависят от доступных источников органического углерода и азота, которых в сложном компосте сравнительно много, и потому их роль в фиксации свободного азота достаточно весомая. Микоризные виды грибов в сложном компосте способны использовать труднодоступные соединения фосфора. Грибымикоризообразователи улучшают питание высших растений не только фосфором, но и азотом, калием, серой, медью, цинком и некоторыми другими элементами. Внесение сложного компоста в почву. Сложный компост обладает существенным запасом органического вещества, который расходуется в значительной мере живыми организмами и достигает определенного уровня минерализации. Верхний слой сложного компоста обычно выделяется рассеянным распределением органического вещества и широким варьированием встречающихся организмов. При задержке с внесением в почву органическое вещество сложного компоста активно расходуется, а микроорганизмы переходят на использование рассеянных его участков. При отсутствии поступления в сложный компост свежего растительного материала микроорганизмы переходят в основном в состояние покоя. Весьма важно определить уровень микробного пула, который для сложного компоста можно считать определяющим показателем его гомеостатичности (Белюченко, Корунчикова, 2003; Белюченко, 2008). Для каждого вида отходов (дефекат, свиной навоз, куриный помет и т.д.) характерно свойственное именно ему содержание ор185 ганических веществ (белков, сахаров, аминокислот, витаминов, ферментов и т.д.) и неорганических соединений (аммония, подвижного фосфора и других), а также уровень рН и специфика этих показателей в зависимости от региона. При добавлении в сложный компост растительных отходов (солома озимой пшеницы, ячменя, стебли кукурузы, подсолнечника, отходы сахарной свеклы и др.) в разложение включаются различные виды микроорганизмов, которые при благоприятных условиях (наличие влаги, температуры, питательных веществ) доводят их состояние до равновесного уровня (Белюченко, Корунчикова, 2003; Белюченко и др., 2009 а). По скорости разложения растительные остатки в компостах в осенне-зимне-весенний период можно расположить в следующий ряд: сахарная свекла → озимая пшеница → кукуруза → подсолнечник → озимый ячмень. Остатки сахарной свеклы минерализуются полностью, и сформированная масса сложного компоста будет однородной без четкого разделения на растительные остатки. В остальных вариантах опыта визуально отмечено наличие фрагментов неразложившихся стеблей, а в некоторых случаях и полуразложившихся листовых влагалищ, особенно у кукурузы и озимого ячменя. Во всех вариантах отмечена хорошая агрегированность сформировавшихся сложных компостов, отличающихся пористой мелкозернистой структурой, сыпучестью и устойчивой влажностью на уровне 15-20%. Передвижение микроорганизмов в разных направлениях от места концентрации существенно затрудняется их адсорбцией почвенными частицами, особенно органическими веществами, а также глиной. Мелкие поры между частицами сложного компоста и почвы также вызывают затруднения в их перемещении, особенно в начальный период. В отдельных местах возникают либо аэробные, либо анаэробные условия с резко меняющимися температурами, увлажнением, значениями рН и т.д. (Кураков, Белюченко, 1994). Сообщества живых организмов при разных условиях компостирования включают популяции микроорганизмов, осуществляющих аммонификацию, нитрификацию, азотфиксацию, а также трансформирующих органические и минеральные вещества и разлагающих в том числе целлюлозу и другие труднодоступные соединения (табл. 8.3). Таблица 8.3. Агрохимическое состояние сложных компостов 186 с включением отходов различных растений (2011 г.) Вариант C,% Пшеница Ячмень Подсолнечник Кукуруза Свекла Вишня (контроль) 19,35 17,10 19,34 19,88 19,82 18,62 Пшеница Ячмень Подсолнечник Кукуруза Свекла Вишня (контроль) 14,61 14,51 13,52 13,30 17,64 14,32 N,% Май 0,52 0,56 0,56 0,57 0,55 0,63 Июль 0,43 0,51 0,52 0,55 0,47 0,57 NH4+, мг/кг NO3-, мг/кг P2O5, мг/кг 9,06 7,24 9,74 8,39 9,74 11,67 23,95 14,00 25,85 27,90 17,20 14,00 282,97 316,30 279,33 297,21 333,38 267,21 6,22 5,49 4,35 4,19 6,95 8,98 30,23 30,94 19,14 24,63 30,91 24,62 272,92 256,86 245,80 235,35 267,62 347,06 По общей оценке содержания основных элементов в сложном компосте наиболее вероятным сроком его первого внесения в почву является середина мая - начало июня. Задержка с внесением сложного компоста в почву приводит к существенной потере запасов углерода, общего и аммонийного азота. С усилением антропогенного влияния на окружающую среду возникает необходимость изучения особенностей функционирования всего комплекса сложного компоста. Понимание механизмов регулирования его устойчивости является весьма важным в формировании продуктивного субстрата, поскольку они определяют комплекс мероприятий, применяемых в сельском хозяйстве для повышения плодородия почвы как важнейшей составляющей любого агроландшафта. Активность развития микроорганизмов в сложных компостах обеспечивает многообразие химических реакций между органическими и минеральными отходами и превращает их в верхнем слое почвы в единую биогеохимическую систему. Микроорганизмы в сложных компостах являются основными регуляторами формирования в них главных парниковых газов: двуокиси углерода, окислов азота и других соединений. Использование сложных компостов для улучшения верхнего слоя почвы способствует его долговременному (на 5-6 лет) обогащению органическими, минеральными и азотно187 фосфорными соединениями, а также сохранению концентрации полуторных окислов минеральных соединений, благоприятствующих экономному расходованию питательных веществ. В связи с накоплением значительного количества органических веществ сложный компост существенно превосходит по набору видов и обилию отдельных популяций микроорганизмов окружающие почвенные частицы. При внесении сложного компоста верхний слой почвы активно пополняется микроорганизмами, что усиливает обмен энергией и веществами между различными составляющими агроландшафта. Сложный компост и развитие растений. Сообщества живых организмов способны при внесении в почву сложного компоста занять место в ризосфере и ризоплане формирующихся растений. В качестве примера сравним развитие растений озимой пшеницы в фазе созревания в варианте контроля (минеральные удобрения) и при внесении сложного компоста. Взаимоотношения при внесении сложного компоста между растениями и почвенными условиями являются одной из наиболее актуальных проблем прикладной почвенной и сельскохозяйственной экологии, которая давно привлекает исследователей (Кураков, Белюченко, 1994; Kurakov et al., 1994). Например, изучение микромицетов под посевами озимой пшеницы представляет большой интерес в понимании взаимодействия высших растений с почвенной микрофлорой при насыщении севооборота этой культурой (табл. 8.4). Большинство исследователей, изучавших микрофлору почв, основное внимание уделяют бактериям и в целом консорциям этой культуры и их таксономическому составу. Грибная флора относительно мало исследована, хотя микромицеты играют важную роль в микробиологических процессах, как в формировании и развитии сложного компоста, так и в почвообразовании. Таблица 8.4. Влияние сложного компоста на агрофизические свойства почвы под посевами озимой пшеницы (апрель 2011 г.) Вариант Контроль (NP) Полевая влажность¸% Плотность почвы, г/см3 29,84±0,57 1,27±0,04 Плотность твердой фазы почвы, г/см3 Полная влагоемкость Пористость 2,15±0,03 0,48±0,01 0,47±0,0 2,38±0,27 1 188 Коэффициент структурности NP + Слож31,12±0,45 1,11±0,02 ный компост 1,98±0,04 0,55±0,02 0,55±0,0 3,05±0,34 1 Случаи почвоутомления, как следствие токсикоза почвы при частом выращивании одной культуры (картофеля, подсолнечника и т.д.), связаны с накоплением в субстрате грибовтоксинообразователей, относящихся к сапротрофам. Почвенные микроскопические грибы выделяют микотоксины, представляющие серьезную опасность для живых организмов, включая и человека. На развитие растений и микроорганизмов оказывают влияние минеральные вещества, витамины, фитонциды, ферменты и другие биологически активные соединения (табл. 8.5). Таблица 8.5. Влияние сложного компоста на агрохимические свойства почвы под посевами озимой пшеницы (апрель 2011 г.) Вариант Контроль (NP) NP + Сложный компост Органическое вещество,% 3,98±0,08 0,18±0,01 4,94±0,19 28,37±2,86 25,95±4,98 4,85±0,11 0,27±0,01 5,57±0,28 29,32±3,74 48,14±5,17 Nобщ.,% NH4+, мг/кг NO3-, мг/кг P2O5, мг/кг Наиболее угнетающую роль в развитии растений играют микроскопические грибы, вызывающие замедление роста через выделение различных фитогормонов, которые в низких концентрациях в почве регулируют рост и другие функции метаболизма. Сюда относится этилен, производимый некоторыми грибами, в частности дрожжевыми. Микроскопические грибы, как источники органического углерода являются основными продуцентами в почве этилена на средах с гуминовыми и фульвокислотами. Микроскопические сапротрофы способны выделять также другие газообразные вещества, оказывающие токсическое воздействие на растения. Токсичность грибов для растений проявляется и в задержке прорастания семян. Отдельные грибы и бактерии выделяют ауксины, продуцентом которых в первую очередь выступает азотобактер, вызывающий у растений снижение роста. Некоторые микоризообразующие грибы и коринеподобные бактерии выделяют фитогормоны и цитокинины, 189 задерживающие старение клеток и выступающие в качестве регуляторов роста. Анализ агрофизического состояния почвы на полях озимой пшеницы при различных вариантах исследований показал, что внесение сложного компоста заметно повышает полевую влажность верхнего слоя почвы, понижает показатели плотности почвы примерно на 6-10%, ослабляет плотность твердой фазы почвы (на 5-6 г/см3), повышает пористость почвы и коэффициент еѐ структурности, что вызывает улучшение физических свойств верхнего слоя почвы (Ткаченко и др., 2010; Белюченко, Славгородская, 2014). Изучение различных вариантов комбинирования минеральных и органических отходов показало, что при формировании сложного компоста содержание органического вещества увеличивается на 10-12%, общего азота на 6-8%, аммонийного азота на 5-6%, нитратного азота на 4-6%. Внесение полуперепревшего навоза и отдельно взятого сложного компоста существенно увеличивают содержание фосфора. Общая оценка химических свойств почвы при внесении по отдельности органических удобрений и сложных компостов показала заметное увеличение в последнем варианте содержания фосфора в еѐ верхнем слое. Улучшение агрофизических и агрохимических характеристик верхнего слоя почвы с внесением сложного компоста в целом благоприятно отразилось на развитии озимой пшеницы (табл. 8.6). Таблица 8.6. Влияние сложного компоста на развитие растений озимой пшеницы в фазу созревания (середина июня 2012 г.) Вариант Контроль (NP) NP + Сложный компост Количество побегов, шт. / 110 см Количество колосков в колосе, шт. 16,20±0,2 61,00±3,45 5 79,60±5,11 20,12±0,2 8 Количество продуктивных побегов, шт./ 110 см Количество зерен в колосе, шт. Масса 1000 зерен, г Урожайность, ц/га 2,73±0,18 39,52±2,95 38,53±1,42 45,40 3,28±0,20 45,14±1,85 43,84±0,98 57,50 190 Контроль Полуперепревший навоз КРС Сложный компост Рис. 8.1. Последействие использования компоста и навоза на посевах озимой пшеницы: количество растений на 1 м2 (III декада ноября 2011 г.) 191 а б Рис. 8.2. Продуктивность озимой пшеницы: а – контроль, б – сложный компост Рис. 8.3 Урожайность кукурузы при внесении минеральных удобрений 192 Рис. 8.4. Урожайность кукурузы при внесении минеральных удобрений и сложного компоста Таким образом, бактериальные и грибные системы в сложном компосте в процессе его развития, а также растительные и микробные системы в почве активно взаимодействуют. Так, сохранение семян растений, спор микроорганизмов, активность покоящихся 193 почек зоны кущения и другие процессы определяются в сложных компостах конкретными условиями – температурными, водными, воздушными и трофическими характеристиками. При внесении сложного компоста в почву его влияние на эти процессы в жизни растений осуществляются через почвенные микроорганизмы и выделяемые ими метаболиты. Такая зависимость выявляется в процессе анализа особенностей развития консорциев в растительных и микробных сообществах. Именно детерминант определяет в основном систему высших и низших живых организмов, фитопатогенных грибов, симбиотических и ризосферных микроорганизмов, формирующих различные консорции. Микотрофные организмы сложного компоста способны к широкой адаптации, и при их внесении в почву отмечается корреляция между их составом, развитием растений и микоризой почвы в целом, а также с еѐ водно-воздушным режимом и наличием питательных веществ в субстрате. 194 ГЛАВА 9. СЛОЖНЫЙ КОМПОСТ И КРУГОВОРОТЫ БИОГЕНОВ В АГРОЛАНДШАФТАХ ECOLOGICAL FEATURES PHOSPHOGYPSUM AND PRACTICALITY OF ITS USING IN AGRICULTURE Complicated compost with organic and mineral components, has a serious impact on the physical, chemical and biological properties of topsoil significantly modifies its cycles of elements and substances; with the Carboniferous and up to now establish the supremacy of the recovery processes in landscapes as compared to oxidation processes through the introduction of complicated compost in their stabilizing factors. Сложный компост, включающий органические, минеральные и органоминеральные компоненты, оказывает серьезное влияние на активность физических, химических и биологических процессов в верхнем слое почвы, существенно изменяя круговороты еѐ биогенов. С карбона и до наших дней в складывающихся системах установилось превосходство восстановительных процессов над процессами окисления, и потому внесение сложных компостов существенно повышает устойчивость агроландшафтов. В развитии агроландшафтных систем и в их функционировании важная роль принадлежит устойчивости почвы. Сложные компосты при хорошей подготовке органоминеральной смеси и внесеннии компоста в количестве 65-70 т/га усиливают устойчивость почвы; они вносятся каждые 5-6 лет с содержанием органического вещества не менее 20%, органических коллоидов до 25%, минеральных коллоидов 6-10% с запасами кальция до 15-20, серы – 10-12, фосфора – 3-4, органического азота до 10-12% при общей растворимости компоста до 5%. При внесении сложного компоста в почву повышается еѐ плодородие и в первую очередь стабилизируется глинисто-гумусовый комплекс, что поддерживает структуру, состав, увлажнение и биологическое разнообразие, а также динамические связи во времени и пространстве со всеми компонентами ландшафтной системы. Если в верхнем слое почвы содержание гумуса на 1 га составляет 70 т, а в сложном компосте – 10 т, то на общую 195 массу органических веществ со сложным компостом приходится 4%. В целом содержание гумуса в верхнем слое почвы с внесением сложного компоста составит 4%, что способствует физической устойчивости почвы и еѐ составляющих, которые на ней базируются, включая и животный мир. На удобренных сложным компостом почвах повышается продуктивность растений, улучшается их рост, развитие корневых систем, увеличиваются популяции беспозвоночных и микроорганизмов, запасы фитомассы, баланс органического вещества, усложняется биологический круговорот биогенов. Внесение сложных компостов улучшает функционирование почвы как биокосной системы. Правильно подготовленный и вовремя внесенный в почву сложный компост способствует развитию агросистемы и усиливает еѐ устойчивость (Белюченко, 2006; Белюченко и др., 2006г,д). Основу механизма функционирования экосистем и их устойчивости, по В.И. Вернадскому (1987), составляет биологический круговорот биогенов, определяющий относительное равновесие в пределах отдельных экосистем. По В.И. Вернадскому, между косными природными составляющими и живыми организмами в биосфере осуществляется непрерывный материальный (круговорот биогенов) и энергетический обмен через формирующиеся потоки энергии и движение атомов, пронизывающих всю ионосферу, постоянно изменяющиеся и стремящиеся к устойчивому равновесию. В процессе развития Земли чисто абиотический круговорот элементов и веществ постоянно совершенствовался и постепенно перешел к биотическому, составляя сегодня основу современного биологического круговорота биогенов (Вернадский, 1965; 1967). В последние 500-600 млн лет в развитии почв и экосистем изменилось соотношение биогенов и отдельных веществ, охваченных живыми организмами, длительность их круговорота в связи с появлением и захватом основного пространства покрытосеменными растениями и млекопитающими животными. Усилилась роль гетеротрофов в разрушении мертвого органического вещества. Более четко разделились живые организмы по типам питания, открытым в конце ХIХ века и составляющим одну из основ современной теоретической экологии (Вернадский, 1944). Поведение биогенов в природе, их круговороты, цикличность и другие формы перемещения по биотическим системам являются 196 одной из важнейших проблем в экологии. Их изучение, определяемое накоплением фактического материала на примере функционирования конкретных сообществ, важно с точки зрения познания функциональных процессов, происходящих в агроландшафтах в целом и в их отдельных частях. Характер вещественного обмена в агроландшафтах, определяющий основу круговорота их биогенов, обусловливает состояние, активность, устойчивость, динамичность этих систем, их продуктивность, энергоемкость и другие функциональные особенности (Вернадский, 1994). Появление автотрофов в прошлом разделило среду обитания на окислительную и восстановительную, расширило формы распространения биогенов, а обособление автотрофов и гетеротрофов определило замкнутость циклов вещественного круговорота, приведя к ряду существенных изменений в биосфере Земли. Прежде всего это касается выделения из потока органических веществ значительных масс углерода, обусловившего формирование различных оболочек Земли, что и определило биогеохимический круговорот биогенов. Отмечается тенденция накопления абиотических веществ – оксидных форм железа, а также окислов калия и кальция; биота увеличила свое разнообразие на суше, в воде и воздухе, что существенно продвинуло развитие почв как одной из уникальных оболочек Земли, значительно усилившей биологический круговорот биогенов и усовершенствовавшей их механизм перемещения в ландшафте. Почва определяет условия для направленности варьирования количества биофильных элементов, а внесение в почву сложных компостов существенно усиливает круговорот биогенов и увеличивает массу биофилов. Изучение круговорота любого биогена земной коры является важной задачей почвоведения и современной практической и теоретической экологии (Белюченко, 2011). Внесение сложных компостов в агроландшафтах существенно меняет параметры круговоротов их биогенов, усиливая циркуляцию органических веществ, элементов и энергии в естественных и искусственных образованиях. Поступление в агроландшафт с дождями биогенов из атмосферы и почвы в живые организмы, в биохимический синтез и их закрепление в органическом веществе растений и животных существенно влияет на круговорот веществ в системе. Возвращение биогенов в почву, атмосферу и воду с ежегодным опа197 дом различных органических веществ и при внесении сложного компоста с отмершими организмами, входящими в состав биосистем, повторяется многократно в процессе совместного взаимосвязанного превращения и перемещения веществ в складывающейся системе отдельных процессов круговоротов элементов. Естественные циклические процессы превращения и перемещения биогенов проходят через газообразную фазу – О, Н, N, C и через водную фазу – С, Na, Mg, P и др. Биогены, представляющие собой растворенные вещества, жизненно необходимые организмам содержанием органического вещества и минеральных элементов – N, P, K, Ca, S, Mg, и др. Биогенные элементы входят в состав организмов и необходимое для жизни их количество составляет всего до 20, среди которых на долю кислорода приходится около 70% от массы организма, углерода – 18%, водорода – 10%, в меньшем количестве содержатся N, Ca, K, P, Mg, S, Cl, Na. Из-за присутствия в клетках всех организмов перечисленные элементы называются универсальными, в виде следов в организме содержатся практически все химические элементы таблицы Менделеева. К биогенам относятся вещества, возникшие в результате разложения остатков организмов, хотя еще и не полностью минерализованные; вещества, происходящие от живого организма, связанные с его жизнедеятельностью (например, фитонциды), а также вещества, обладающие высокой биологической активностью (используются в лечебных целях). Биофилы представляют химические элементы и вещества, аккумулирующиеся в живых организмах в большем количестве, чем в окружающей среде (О2, Р, Zn и др.); их концентрация в живых системах в десятки и тысячи раз больше, чем в окружающей среде (воде, почве, воздухе). Между живым веществом и косной материей проходит, по В.И. Вернадскому, «биогенный ток». В процессе развития агроландшафтов между еѐ составляющими формируются новые связи и новые отношения, накапливается детрит, образуется подстилка, гумус сложные компосты с включением различных биогенов, объединяющих минеральные и органические соединения (Вернадский, 1987; 1994). Биогеохимический круговорот, биогеохимические циклы, биогеохимические миграции – синонимы биологического кругово198 рота, который делится по Ю. Одуму на две формы: 1) круговорот газообразных веществ – образует резервные фонды в атмосфере и гидросфере и 2) осадочный – формируется в виде резервного фонда в земной коре. Живые организмы удлиняют трофические цепи, а образование детрита показывает, что живые организмы не только поглощают биогены из почвы, но и из минерализованных организмов, доля которых в ней достаточно велика. Биогены в экологической системе могут трансформироваться из одной формы в другую, что заметно удлиняет их период перемещения. Некоторые авторы выделяют в ландшафте биологический, геологический, и даже биогенный круговороты. Биологический круговорот биогенов сохраняется на уровне живых организмов, а биогенный составляет совокупность процессов в агроландшафте. Такой подход детальнее объясняет круговорот биогенов в системе: живые организмы – биогеоценоз – геохимический ландшафт (Вернадский, 1994; Белюченко, 2010г). Современное представление о биологическом круговороте биогенов складывается из анализа биосферной и экосистемной структурно-функциональной организации наземных систем, основу которых составляет единство превращения вещества и энергии, геологической роли живых организмов, незаменимых в химическом становлении современных оболочек Земли и имеющих большое значение в осадконакоплении надземных и водных систем, а также в системном подходе, включающем методологию выделения экосистемы как единицы исследования и установления внутренних и внешних связей. Идеи системного подхода весьма важны при изучении биологического круговорота основных биогенов отдельных агроландшафтов (Белюченко, 1997; 2011). Круговороты биогенов в агроландшафтах. Функционирование агроландшафтов оценивается по общей первичной продукции, первичной продукции от общих запасов фитомассы и отношения сухой органической массы к первичной продукции. Закономерности функционирования агроландшафтов оцениваются по изменению годичной продукции, описываемой двувершинной кривой и скоростью оборота экосистемы, определяемой в основном тепловым балансом условий среды (Белюченко, 2012). Реальная продуктивность агроландшафтов является основой их классификации. В наземных системах преобладает азотный тип 199 круговорота биогенов, за ним следует кремниевый и кальциевый. Азотные формы круговорота биогенов в развитии экосистем преимущественно тяготеют к северным широтам, а в умеренном поясе – к степным. В материковых водах преобладает ионный состав биогенов, представленных в основном ионами карбонатов кальция (Белюченко, 2008). Весьма сложной оказалась связь между типом круговорота биогенов и почвенным покровом. Чем выше распространенность кремниевых типов круговорота, тем чаще состав материковых вод обусловлен спецификой элементов, находящихся в биомассе растений. С кальцием более сложная картина. Кальций менее распространен в литосфере по сравнению с кремнием: массовая доля кремния составляет 27,75%, а доля кальция всего лишь 3,3%. Кальций хорошо мигрирует в кислых, слабонатриевых и щелочных почвах. Но этот элемент легко осаждается в почвах, образуя различные многочисленные соединения. Кальций считается высокобиофильным элементом и активно удерживается в составе живого вещества, что, очевидно, определяет слабую связь между долей участия кальция в круговороте биогенов суши и в составе материковых вод. Везде выносятся те элементы, которые не удерживаются ни в биомассе растений, ни в почвенном профиле. Нарушения почвенных процессов изменяют круговороты биогенов, что приводит к изменениям в соотношении между важнейшими элементами в природных водах (Белюченко, 2011а). Почва является многокомпонентной системой и служит центром биологического круговорота веществ в агроландшафте, обеспечивая протекание их различных процессов, включая выветривание и удержание биофильных элементов в составе глинистых минералов. В почве создаются и удерживаются новые природные тела биогенов, возобновляемые гумусом и подстилкой, чьѐ значение трудно переоценить. Функционирование почвы не только дополнительный фактор, обеспечивающий цикличность круговорота биогенов, но зачастую и ведущий на разных уровнях организации экосистем. Недалекое будущее (максимум 50–60 лет) покажет – выдержит ли подвижное равновесие природного комплекса (экосистем), сложившееся за геологическое время, техногенную цивилизацию человека, образовавшую за сравнительно короткий исторический 200 период. Все эти особенности сегодняшней ситуации нельзя исключать при изучении круговорота биогенов в природных и агроландшафтных системах. Идеи о принципах геологического и биологического круговоротов веществ были заложены еще В.И. Вернадским (1965) и В.Р. Вильямсом (1953) и другими исследователями. Разработкой этих проблем занимались многие ученые, и она стала сегодня актуальнейшей в системе наук о Земле. Любой агроландшафт является важным консервантом биогенов, с одной стороны, и регулятором (усиливающим или ослабляющим) непрерывного круговорота отдельных элементов суши и воды, с другой. Живые организмы ландшафтов (растения и животные) свою потребность в биогенах удовлетворяют за счет наличия их запасов в почве и поверхностных водах (незначительная их часть поступает из воздуха), а также при внесении в почву сложных компостов. Для любого химического элемента или соединения в системе (малой или большой) свойственен свой путь (круговорот). Двигателем всех круговоротов биогенов в ландшафте является поступающая от Солнца энергия, обусловливающая движение всего живого (рост, размножение, перемещение, вымирание и т.д.). В процессе биологического круговорота биогены проходят ряд сложных преобразований в результате биохимических реакций в органической и неорганической формах. В экосистемах при их естественном функционировании (в основном без резкого вмешательства человека) отток биогенов выравнивается притоком их из подстилающей породы, атмосферы и из сложных компостов (большой круговорот). Тем не менее поступления элементов в агроландшафт ничтожно малы даже со всеми добавками (минеральные и органические удобрения, сложные компосты и др.) по сравнению с той частью биогенов, которые совершают малый круговорот в самой системе (Белюченко, 2012 г; Belyuchenko, 2014). В случае нарушения постепенного равновесного хода круговорота биогенов в ландшафте возможно накопление отдельных из них в самой системе, и чаще наблюдаются их потери для системы. Непродуманное использование почвы (например, частая пахота, вырубка лесов, распашка склонов и т.д.) усиливает ветровую и водную эрозию с потерей многих биогенов для системы через их выветривание или вымывание за относительно короткий срок: за 3-5 – максимум 10 лет (хотя их накопление в почве шло миллионы лет). В 201 качестве примера накоплениея в системе биогенов можно привести концентрацию мертвого органического материала на дне озер, прибрежных болот, морей, когда микроорганизмы в анаэробных условиях не смогли минерализовать этот материал, который затем преобразовался в уголь, нефть, торф, газ (Белюченко, Никифоренко, 2012). В настоящей главе прослеживаются основные пути прохождения важнейших биогенов через экологическую систему. Специфичность круговорота отдельных биогенов определяется потребностью в них растений и животных и, безусловно, их химическими свойствами. Круговороты биогенов имеют общую картину перемещения между органическими и неорганическими фондами при сбалансировании их ассимиляции и распада. Круговороты основных биогенов обусловлены образованием первичной продукции, формированием энергетических потоков через всю ландшафтную систему. Скорость прохождения отдельных биогенов по основным узлам круговорота зависит от количества, интенсивности и важности их потребления растениями и животными. В случае задержки какого-то биогена на отдельном этапе круговорота происходит его накопление в одном узле. Нарушение прохождения любого звена круговорота отдельного биогена влияет на его другие звенья. Естественно, что круговороты биогенов в значительной степени определяют стабильность функционирования ландшафта. Сущность круговорота любого биогена в агроландшафте поддерживается обменом между неорганической и биологической частями системы через коррекцию внесением удобрений, поливом и т.д. В природных системах такой обмен объективно сбалансирован и редко прерывается отдельными нарушениями в функционировании ландшафтов. Круговороты основных биогенов координируются определенными процессами, обусловленными деятельностью живых организмов – растениями и животными. Например, пределы фотосинтеза и дыхания определяются круговоротами углерода и кислорода. Реакции микроорганизмов являются основополагающими в круговороте азота, фосфора, серы, кальция, калия и других элементов. Условно систему ландшафта можно представить в виде блоков, которые выделяются определенной спецификой (прежде всего функциональной) в формировании круговорота отдельных биогенов и всего их комплекса в целом. В круговороте минеральных биогенов основная 202 нагрузка в агроландшафте распределяется между живыми и отмершими организмами и неорганической частью почвы. Собственно, в этой системе преобладает малый круговорот биогенов, корректировка которого через внесение сложного компоста стабилизируется на 5-6 лет. Для большого круговорота добавляются еще косвенно доступные биогены в осаждающихся органических и минеральных веществах с активным участием морей и океанов. Автотрофы по аналогии с гетеротрофами в агроландшафтах вовлекают биогены в органические структуры растений в процессе создания ими первичной продукции. Гетеротрофы, используя органические вещества автотрофов в качестве источника пищи, основную часть биогенов получают уже в органической форме, хотя некоторая их доля (например, калий, кальций, натрий и некоторые другие) поступает с питьевой водой. Многие биогены встречаются в различных формах в почве, воде, воздухе и в живых организмах. Так, органический углерод содержится в воздухе в форме окислов (СО, CО2) и различных других углеводородных соединений; в воде он встречается в форме углекислоты, а в почве – в форме углекислоты и еѐ солей. Кислород содержится в воздухе в газообразной форме (О2 и CО2), в воде – в растворенной форме, в почве распространен в форме окисей и солей (Белюченко, 2013а). Считается, что самый большой объем кислорода (около 90%) концентрируется в углекислом кальции (СаСО3) осадочных пород, но он мало доступен живым организмам. Менее разнообразны формы азота: в атмосфере газообразные молекулярные формы (N2), а в почве – аммиачные соединения и нитраты. Растения вовлекают азот в круговороты в основном в форме нитратов (NО-3), содержащихся в почве или воде. Газообразный азот атмосферы в круговорот вовлекается двумя формами микроорганизмов – симбионтами и свободноживущими азотфиксаторами, но их доля в общем балансе существенно ниже почвенной. Часть биогенов не проходит полный цикл круговорота и возвращается в банк питательных веществ в неорганической форме. Прежде всего это касается кислорода и углерода, выделяющихся в процессе дыхания живых организмов. Такой вариант характерен для кальция, натрия, калия, марганца, магния и других биогенов, вымываемых дождями и с питьевой водой попадающих в организмы, абсорбируясь растениями вновь, они вступают в их круговороты. Зна203 чительная часть биогенов (в первую очередь азот и углерод) с отмиранием организмов под влиянием детритоядных организмов быстро переходит в детритный блок. Некоторая часть биогенов в минеральной форме поступает в круговорот агроландшафтов из атмосферы (Белюченко и др., 2009б). Основу круговорота биогенов в агроландшафте составляют процессы ассимиляции и распада веществ, сопровождаемые поглощением и выделением энергии. Считается, что параллельно перемещению большинства биогенов проходит основной путь энергии через всю систему, хотя наиболее четко это прослеживается на органическом углероде, составляющим основную часть урожая. Именно углерод освобождается в виде углекислоты при многих процессах, сопряженных с выделением энергии. Азот, фосфор, сера и некоторые другие биогены удерживаются в живом организме в силу их активной роли при синтезе различных органических соединений (структурных белков, ферментов и т.д.), формирующих основные тканевые структуры, и потому скорость их прохождения по трофическим уровням в агроландшафте заметно ниже по сравнению с энергетическим потоком (Белюченко, 2008). На прохождение отдельных биогенов по трофическим цепям агроландшафта могут влиять и другие процессы (например, важное влияние на круговороты кислорода и водорода оказывает круговорот воды). Так, за жизненный период любого организма содержащаяся в нем вода заменяется много раз (через потребление, испарение, выделение). Круговорот воды в агроландшафте определяется примерно теми же особенностями, что и других веществ и биогенов, но основным еѐ "двигателем" является энергия солнца. Биотические и абиотические основы круговорота биогенов. Минерализация органического вещества и круговороты отдельных элементов в агроландшафте координируются биогенными процессами в природе. Роль абиогенных факторов менее выражена. Деятельность человека заметно усиливает абиогенный вариант минерализации органического вещества и круговорота биогенов через внесение больших доз минеральных удобрений, усиление кислотных дождей и т.д. Соотношение биотических и абиотических факторов, определяющих круговорот биогенов в агроландшафте, имеют большое значение для понимания механизмов устойчивости системы, на уровне которой и происходит основной биологический круговорот 204 веществ (микроорганизмы и растения вовлекают в круговорот элементы и другие соединения, которые затем мигрируют по пищевым цепям и снова освобождаются в результате разложения мѐртвого органического вещества и возвращаются в почву и поверхностные воды). Определенное влияние на круговорот биогенов в агроландшафтах оказывают такие факторы, как вымывание дождевыми осадками химических веществ из живых растений и мертвого опада, приход азота и других веществ с пылью, поверхностными и грунтовыми водами, захватывая в основной круг растворимые и легкогидролизуемые формы, образующиеся в результате функционирования активных организмов. По количеству биогенов абиотические источники в сумме дают обычно до 10% от общего их потребления живыми организмами агроландшафта и оказывают существенное влияние на биотические процессы (Белюченко, 2011а). Абиотические факторы играют существенную роль в большом круговороте биогенов, а именно – в их перемещении между различными системами (перенос элементов ветром, поверхностными и грунтовыми водами), в их консервации (на морских глубинах) и фиксации (перевод некоторых элементов полуторными окислами в недоступное для микроорганизмов состояние и т.д.). Живые организмы какую-то часть перемещающегося материала успевают использовать, и в этом случае они сильно зависят от климатических условий. Абиотические факторы в процессе гидролиза сложных соединений снижают массу растений через вымывание дождями растворимых веществ с последующим их гидролизом. Из отмерших тканей легко вымываются свободные аминокислоты и органические кислоты и их соли, моно- и олигосахариды, некоторые белки, крахмал, пектины. Листья отдельных растений теряют при промывке водой до 25% веществ. В летнее время доля прямого вымывания из растений незначительна в силу высокой связываемости всех соединений растущими структурами и активного поддержания ими стабильного равновесия среды благодаря высокой белковости состава. Таким образом, основным звеном круговорота биогенов в агроландшафте является обратный их переход из мертвых остатков в почву под действием разлагающей микрофлоры и микрофауны. Иными словами, в основе малого круговорота биогенов лежит био205 тический процесс их перехода из органического состояния (микрофлора) в неорганическое (элементы минерального питания) и обратно в органическое (высшие растения). Абиотический «довесок» в круговороте биогенов расширяет это пространство на другие системы и координирует большой цикл этого процесса, объединяя все или многие составляющие системы. В агроландшафтных системах концентрируется напряженность во всех их структурах вследствие развития производственных сил, связанных с воздействием человека на содержание органических веществ, водное и воздушное обеспечение, минеральный состав почв, рН почвенной среды и т.д., усиливающих нарушение устойчивости в них. Нарушением равновесия в почвенной системе является изменение в соотношении природных и распаханных угодий, сокращение площадей лесов, устойчивых речных равнин и пойм, речных систем, снижение плодородия распаханных угодий, снижение биоразнообразия птиц, млекопитающих и других животных, освоение человеком новых площадей, теряющих определенные природные свойства и нарушающих гармоничность природы и еѐ составляющих (Белюченко и др., 2009б). Отношения человека и природы – основа механизмов равновесия и устойчивости в агроландшафтных системах. В проблеме оптимизации отношения человека и природы важной задачей является определение механизмов равновесия и их нарушения в ходе естественных процессов и в разумных пределах самим человеком. Большое значение в оценке происходящих изменений составляют физические механизмы равновесия, обеспечивающие относительную стабильность среды (устойчивость форм рельефа, стратификации воды и воздуха, скопление воды в определенных понижениях, сезонность температуры и т.д.); однако действие эндогенных и экзогенных сил, нарушающих равновесие в агроландшафтах, не прекращается. Определенные нарушения механического баланса связаны с распашкой земель, гидро– и градостроительством и т.д. Сведение таких нарушений в агроландшафтах к минимуму – важная задача сегодня. Влияние антропогенных нарушений возрастает, хотя пока этот процесс вполне управляем, в частности при коррекции функционирования (в первую очередь агроландшафтов) их почвенной составляющей через еѐ совершенствование подготовкой и вне206 сением сложных компостов (Белюченко, 2010а; Белюченко и др., 2009 в). На окружающую среду стабилизирующее влияние оказывают крупные водные системы (моря, реки), поддерживающие концентрацию своей среды постоянной со времени палеозоя (Вернадский, 1994), оказывая в целом регулирующее влияние на всю планету. Тропосфера, океан и надводная атмосфера (газы, насыщающие толщу воды) находятся в динамичном планетарном равновесии, поддерживаемые такими процессами, как выпадение в осадок избытка солей и органических веществ (процесс седиментации). Элементы стабильности и устойчивости агроландшафтов следует искать в процессах энергообмена и формирования первичной продукции, определяющих круговороты биогенов и других веществ. Эти процессы являются основным критерием упорядоченности ландшафта. Мощным геологическим фактором является живое вещество агроландшафта, представляющее собой небольшую область земной коры, занятую своего рода трансформаторами, переводящими космические излучения в земную энергию – электрическую, химическую, тепловую. Поступающая при внесении сложного компоста в ландшафтную систему свободная энергия органических веществ и минеральных биогенов активирует живое вещество, способное выполнять эту работу (Белюченко, Славгородская, 2013б). Основа основ развития ландшафтных систем, по определению В.И. Вернадского (1967), – это процесс фотосинтеза. По своей мощи и потенциалу процесс фотосинтеза является более значительным аккумулятором и трансформатором свободной энергии по сравнению с круговоротом воды, что и определяет неравновесность всех живых систем и нарушение равновесия через использование свободной энергии, накопленной живыми системами. Живое вещество через транспирацию заметно влияет также на такие стабилизирующие экосистему процессы, как круговорот воды, круговорот биогенов и циклы катионов, хотя их основные процессы (испарение, сток, процессы циркуляции) незыблемы; эти процессы остаются внешними факторами (экологической средой) развития системы. Создание сложных компостов, включающих в свой состав до 8-10 и больше видов различных отходов, способствует заметному изменению физических, химических и биологических свойств поч207 венного покрова в самом широком плане, что в конечном итоге имеет заметные последствия в использовании агроландшафтов в течение 5-6 лет. Сложный компост улучшает физические и водновоздушные свойства верхнего слоя почвы на 10-15%, существенно обогащает еѐ органическими веществами, способствует их экономичному расходованию, улучшает азотный и фосфорный баланс, микроэлементный состав и другие качества. Кроме того, внесение фосфогипса в состав сложного компоста усиливает биологический круговорот элементов и веществ через заметное увеличение популяций дождевых червей, энхитреид, кивсяков, а также других родов почвенных животных и микроорганизмов. Использование сложных компостов усиливает в агроландшафтах процессы ассимиляции и диссимиляции, составляющих основу жизни живых организмов и определяющих характер обмена веществ; эти процессы равновесны лишь относительно, поскольку развитие и увеличение живого вещества базируется на лучистой энергии солнца и вовлечении в биологический круговорот биогенных элементов, что обусловливает постоянное накопление и нарастание массы продуктов жизнедеятельности организмов, которые выделяются в среду их обитания, включаются в круговороты или пополняют массу различных веществ (кислород и другие газы). Минерализация соединений углерода, выключение этого элемента из круговорота, а энергии из пищевых цепей обусловливается процессами ассимиляции. Кроме того, накапливаются биогенные карбонатные и кремнистые осадочные отложения, что указывает на формирование шлаков в почвенных слоях в ходе развития биологических процессов (Белюченко, 2014 д). Адаптация к условиям внешней среды (количество и соотношение тепла и влаги, их динамика, химизм и другие свойства почвогрунтов и воды) является одним из важных механизмов, обеспечивающих устойчивость экосистем. Создание современной атмосферы и почв следует отнести также к числу важнейших механизмов биологической устойчивости в ландшафтах (Белюченко и др, 2012 в). Важными механизмами поддержания устойчивости ландшафтов является эволюционный процесс развития живого в системах, интенсивность которого определяется, во-первых, солнечной радиа208 цией, во-вторых, биологическими факторами (конкуренция, эволюция, сложный компост, отбор), в-третьих, изменениями внешней среды (химические, термические, трофические) и в четвертых, – изменениями внутренней среды (физические, химические, биологические), ускоряющими эти процессы. Механизмы, обеспечивающие устойчивость и равновесие в агроландшафтах, с одной стороны, весьма просты, а с другой, слишком многочисленны и разнообразны, и потому предсказать развитие отдельных составляющих систем весьма и весьма непросто (Белюченко, 2012 а). Агроландшафтная система с относительной устойчивостью и постоянно варьирующим равновесием противоположных сил и прежде всего растительности и достаточно выраженной неэкономичностью своего функционирования нередко ведет к обособлению тупиковых вариантов развития еѐ отдельных звеньев, особенно почвенного покрова. Проблема устойчивости биологических систем в агроландшафтах еще нуждается в глубоких исследованиях. Сложные по структуре посевы культур являются более устойчивыми к внешним возмущениям. Максимально благоприятному разнообразию свойств агроландшафта способствует использование сложного компоста, обеспечивающего такую структуру сообщества, в которой все виды организмов распределены с одинаковой частотой. Устойчивость агроэкосистемы определяется качественной структурой внутривидовых и межвидовых взаимодействий в посеве и лучше поддерживается при всех изменениях их отношений в системе при внесении сложного компоста, оставляющих близкими влияния между отдельными видами. Проблема устойчивости биологических систем в агроландшафтах решается через различные меры поддержания их разнообразия и динамичности. Сложность использования биологических систем в агроландшафтах и его прогнозирования ставит задачи по конструированию их искусственных посевов. В природе все взаимосвязанно. Без превращения энергии и еѐ передвижениия, а также круговоротов биогенов жизнь невозможна. Лучистая энергия Солнца, достигая поверхности Земли, помимо ассимилированной части растений, превращается в тепло, нагревает воду рек, формирует облака, определяет круговорот воды и т.д. В процессе фотосинтеза лучистая энергия превращается в химическую. Животные организмы, поедая 209 растения, превращают химическую энергию растительных тканей в другие формы химической энергии, а также в механическую, электрическую и тепловую, рассеиваемую в атмосфере. Внесение в почву агроландшафтов сложных компостов способствует конструированию их искусственных систем (Белюченко, 2004 з). Энергия в системе агроландшафта направляется на выполнение определенной работы (усиление или снижение транспирации, ускорение или сдерживание роста различных органов живых организмов и т.д.). Различия между живыми системами и машинами состоят в том, что машины питаются внешним источником энергии, а живые системы трансформируют энергию солнца первоначально в энергию химических связей, идущую на возобновление, рост, поддержание внутренней и внешней структуры. В живых организмах идет постоянное превращение энергии в свободную энергию, что является необходимым условием сохранения жизнеспособности живых систем. Превращение энергии химических связей в структурную энергию различных компонентов экосистем и определяет направление развития потоков сложных компостов внутри системы. Устойчивость агроландшафта при внесении сложного компоста – это еѐ способность вернуться в исходное состояние после негативного воздействия; чем быстрее она возвращается в начальное состояние, тем система устойчивее. Внесение сложного компоста усиливает упругость системы, еѐ способность переходить из одного устойчивого состояния в другое под действием внешних условий при сохранении системой внутренних взаимосвязей. Устойчивость системы – это еѐ внутренняя способность выдерживать внешние изменения или восстанавливать свое состояние после их затухания. Пример устойчивой системы – это снижение продуктивности сообщества растений на 10% и растительноядных организмов на 5% при уменьшении количества годовых осадков по сравнению со средними многолетними (Белюченко, 2013 д; Глазунова, Белюченко, 2004). Потенциал внутренней устойчивости агроландшафта – это еѐ способность противостоять при внесении сложного компоста внешним изменениям окружающей среды. Способность аграрной системы вернуться к некоторому исходному состоянию является мерой еѐ устойчивости. Мы очень мало знаем о механизмах устойчивости таких систем: какие механизмы участвуют в их стабилизации, как 210 эти системы функционируют, каким образом оценивать их устойчивость. Устойчивость аграрной системы можно рассматривать через еѐ стабилизацию за счет следующих механизмов: 1) через оптимальный вариант взаимоотношений между всеми видами сложившегося сообщества; 2) за счет интеграции всех основных свойств, проявляющихся на уровне организмов, популяций и системы в целом; 3) благодаря пониманию экологических и эволюционных изменений и взаимосвязей на всех уровнях организации агроландшафта, что поможет оценить степень устойчивости и качественное выражение его длительного развития; 4) экологической связи составляющих их трофических уровней и сетей, а новые данные и новые идеи в этом направлении будут служить пониманию коренной проблемы в экологии. Теорию устойчивости агроландшафта еще трудно разработать по ряду причин, одной из которых является недостаточная зрелость экологии для того, чтобы собрать и объединить в одно целое важные разрозненные сведения, знания и концепции по этой проблеме, однако специалисту необходимо знать сущность устойчивости агроландшафта и механизмы еѐ поддержания. Живые организмы и круговорот биогенов. Показатели биологического круговорота биогенов и веществ выражаются в продуктивности агроландшафтов, химическом составе живых организмов и их энергетических единицах. Продуктивность агроландшафтов считается основным показателем его функционирования и направленности биологического круговорота. Основная часть солнечной энергии трансформируется и только около 1% расходуется на фотосинтез (Вернадский, 1994). В случае нехватки тепла (до 50-52 ккал/см2) продуктивность агроландшафта снижается, а в случае его превышения (свыше 50-52 ккал/см3), снижается из-за нехватки влаги. Химический состав, особенно это касается макроэлементов, связан с происхождением таксонов и определяется геохимическими особенностями территории. Наиболее часто встречаются биогены в почвах и подстилающих породах, которые активно участвуют в построении живого вещества. Велико значение таких элементов, как фосфор, кальций, кремний, магний, которые в качестве биофилов могут в определенных условиях накапливать в своей основе растения. 211 Определение ценности видов растений отдельных агроландшафтов по энергетическим данным связано с уровнем плодородия, влажности, щелочности и кислотности почвы. Эти величины вполне сопоставимы и определяются гумусом почв. Сравнение запасов органического углерода в фитомассе и почве показывает, что в фитомассе его накапливается 800х1018 г, а в гумусе – 1700х1018/га. Тропические леса и тайга дают близкие величины ≈ 270х1018 г углерода/га. Затраты энергии на эвапотранспирацию в агроландшафтах, чистая первичная продуктивность и годовое определение зольных элементов и азота находятся в корреляции между собой. Скорости разложения, по некоторым данным, связаны с запасами энергии в растительных остатках, что обусловлено соотношением жиров, белков, углеводов (Белюченко, 2005). Минеральный состав различных групп растений суши составляет годичный оборот от 800 до 1200 кг/га с преобладанием Si, Ca, K, S, P. Например, в травянистых сообществах в содержании минеральных веществ преобладают Si, Ca, S, P. Химический состав биомассы (% на СВ) нижнего яруса разнотравья составляет: N – 2,60; P – 0,13; S – 0,21; Si – 2,04; K – 1,70; Na – 0,14, а верхнего – соответственно 2,25; 0,10; 0,31; 1,74; 0,24; 0,11 (Вернадский, 1967). Изучение круговорота (и вообще движения) биогенов в агроландшафтах в целом является одним из основных направлений развития их экологии, относимое к фундаментальным механизмам функционирования отдельных сообществ живых организмов. В круговороте биогенов участвуют все организмы ландшафта, начиная от микроорганизмов и кончая человеком. Почвенные животные, ассимилируя в своих тканях подвижные формы микроэлементов, оказывают реальное влияние на содержание отдельных веществ в эдафотопе (Вернадский, 1994). Развитие живых организмов в почвенном покрове связано с энтофильными элементами, склонными накапливаться в атмосфере, – все инертные газы, азот, водород (реже кислород), и литофильными, формирующими устойчивые соединения с кислородом и образующими земную кору материков и дна в океанах, – кремний, алюминий, кальций, магний, натрий, калий, хлор, железо, сера, никель и другие. Из 105 химических элементов в организмах обязательны 6 (О, С, Н, N, Р, S), отличающиеся малым атомным весом, легкостью отдачи и присоединения электронов. Важнейший элемент – углерод 212 (С) – электронейтрален, и его атомы способны соединяться в цепи и формировать бесконечное множество соединений. Остальные 5 элементов также способны образовывать общие электронные пары с атомами других элементов и друг с другом. Именно с образования соединений этих элементов в различных комбинациях началась химическая эволюция Земли (Вернадский, 1994). Живые организмы способны избирательно накапливать и концентрировать из рассеянного состояния отдельные химические элементы, что особенно сильно проявляется в океане. Например, в водных растениях кремния содержится в 1 000–1 000 000, фосфора в 100 000, марганца - в 1 000–10 000 раз больше, чем в морской воде. Живые организмы также накапливают железо, кадмий, никель, хром, цинк и другие металлы, которые после отмирания организмов в виде осадка концентрировались в отдельных анклавах, формируя залежи осадочного происхождения. В сравнении с составом земной коры растения обогащены такими биогенами, как азот, углерод, кислород, водород, а животные еще серой и фосфором. В составе живого вещества много водорода, кислорода, а также углерода, азота, калия, кальция, кремния, фосфора, серы, стронция, бария, цинка, молибдена, меди, никеля. Эти элементы и составляют основу биогенного круговорота веществ, входящих в состав организмов и необходимых им для жизни (их около 20), среди которых на долю кислорода приходится около 70% от массы организма, углерода – 18%, водорода – 10%, в сравнительно малом количестве содержатся N, Ca, K, P, Mg, S, Cl, Na; за присутствие в клетках всех организмов перечисленные элементы называются универсальными; в виде следов в организме содержатся почти все химические элементы. К ним относятся минеральные соединения азота (NH4+, NO2-, NO3-), фосфора (Н2РО4-, НРО42-, РО43-), кремния (HSiO3-, SiO32-), железа (Fe2+, Fe3+), а также соединения некоторых активных микроэлементов (Белюченко, 2013 е; Белюченко, 2014 з). Постоянно соединяются в тканях животных и незаменимы в рационе кислород, углерод, водород, азот, кальций, сера, калий, фосфор, кобальт, кремний, селен (Белюченко и др. 2010 ж). Постоянно встречаются в живом организме, но их физиологическая роль слабо изучена: стронций, кадмий, бром, фтор, бор, хром, берилий, никель, литий, цезий, олово, алюминий, барий, рубидий, титан, серебро, талий, германий, мышьяк, ртуть, свинец, висмут, сурьма, 213 уран, торий, радий (Watt, 1964). Редко встречаются в тканях животных и не установлена роль элементов: скандий, талий, ниобий, индий, теллур, лантан, празеодим, неодим, самарий, европий, тербий, диспрозий, эрбий, иттербий, вольфрам, рений, золото. Распространение химических элементов в литосфере и живом веществе подчиняется одному закону: состав организмов отражает химический состав окружающей среды, а количественное соотношение химических элементов в живом веществе находится в обратной зависимости от их атомного веса. В живом веществе по максимуму сконцентрировано элементов, стоящих в четном (С, J, Si, Ca, Fe, Sr, Ba) и нечетном рядах (Н, N, Al, К, Мn, Cr, Rb). Часто образуют пары элементы, стоящие в максимуме четного и нечетного рядов; эти пары взаимозависимы при поглощении организмами: кальций – калий, железо – марганец, рубидий – стронций, цезий – барий. Общая биомасса суши составляет 3 х 1012 – 1 х 1013г, из которых на долю микроорганизмов приходится 1 х 109 г. На зоомассу приходится 1010 г (до 3% от фитомассы). Сырая биомасса позвоночных колеблется от 44 до 1292 кг/км2; на птиц приходится от 3 до 83 кг/км2 и млекопитающих – от 32 до 1228 кг/км2. Почвенные животные формируют массу (кг/га) в степи – 200, в лесостепи – 500, в смешанных лесах – до 1000, в широколиственных – до 1500 кг/км2. Основная часть биомассы приходится на дождевых червей – до 90% от почвенных животных (Белюченко, 1997; Белюченко и др., 2010л,м,н). Животные способны создавать свое органическое вещество только из готовых органических молекул, составленных из С, О, Н, и N и формирующих основные классы органических веществ: белки, жиры, углеводы, которые создают структуры организма и поддерживают его жизнедеятельность. В организме животных обнаружено 60 элементов, из которых только для 30 установлена их физиологическая роль. Белки состоят из 20 аминокислот, и этот набор одинаков от простейших до человека. Животные не способны синтезировать большинство витаминов и линолевую кислоту. В живых организмах энергия аккумулируется и передается при помощи фосфорных соединений; без фосфора невозможна передача наследственной информации (фосфор входит в состав ДНК и РНК). Вместе с кальцием фосфор образует у животных минеральную часть скелета. Определенную роль в процессах энергии выполняет и сера, которая входит также в состав незаменимой аминокис214 лоты метионина, не синтезируемой в организме животных. Без К и Na невозможно проведение нервного импульса и поддержание внутриклеточного давления у животных. Кальций и магний входят в состав скелетов у животных и отвечают за мышечные сокращения. Магний участвует в работе некоторых ферментов, особенно фосфортрансферазы, играющих большую роль в энергообмене. Все зольные элементы в организме функционируют в виде ионов, а не в связанном органическим веществом соединениях. Животные оказывают определенное влияние на миграцию биогенов в природе. Особенно сильно это проявляется в процессе роющей деятельности почвенных организмов. Так, кроты вместе с почвой перемещают в дерновых почвах массы (кг/га) углерода – свыше 70, кремния – до 3000, железа – до 240, алюминия – до 480, обменного алюминия – свыше 1, что значительно превышает их массу в растительном опаде. Большую роль в круговороте биогенов играют муравьи и термиты, что связано с высокой плотностью и численностью их семей (на 1 га их число доходит до нескольких сотен): муравьи выносят органического вещества до 800 г/м2, а дождевые черви выбрасывают копролитов в лесу до 130 г/м2. Живые организмы регулируют круговорот кислорода, азота, меньше – фосфора, серы, углерода и микроэлементов. Микроорганизмы выделяют газообразный азот, составляющий на 78% атмосферу. Биогенным является происхождение уподавляющей части углекислоты в атмосфере, образуемой организмами при дыхании (в основном корнями растений и бактериями). Бактерии дышат в пересчете на живой вес в 200 раз интенсивнее человека, а их масса на каждом гектаре оценивается тоннами. Перераспределение газов имеет большое значение в обмене веществ между живой и неживой природой. Синтезируя органическое вещество, растения поглощают из атмосферы углекислый газ и выделяют кислород: связывание в органическом веществе 1 т углерода сопровождается выделением в атмосферу 2,7 т кислорода, или на гектар ежегодно выделяется в атмосферу кислорода около 1,1 х 109/м3 (Вернадский, 1994). Состав древних отложений серы и углерода указывает на наличие следов кислородной атмосферы на Земле около 4 млрд лет назад. Животные заметно влияют на перераспределение биогенов по цепям питания. Например, беспозвоночные, обитающие в кронах сосен, в своем теле накапливают в 1000-3000 меньшее количество натрия, калия, фосфора, чем хвоя, которую они используют в каче215 стве пищи, а уже в биомассе птиц, питающихся этими беспозвоночными, содержание этих элементов в 2 раза ниже, чем в биомассе беспозвоночных. Насекомые, питающиеся на лугу, накапливают в своих тканях С, N, Р, К, Na, Fe всего лишь до 2% от их содержания в растениях. Таким образом, животные накапливают в своем теле многие биофилы, что и определяет интерес к их геохимической деятельности в биогенной миграции элементов и установлении их роли в функционировании агроландшафтов. Поскольку животные занимают незначительную по массе часть живого вещества на суше, то долгое время их значение в биогенной миграции элементов совершенно игнорировалось. Однако роль некоторых животных в миграции отдельных элементов весьма значительна, и не учитывать это при оценке круговоротов некоторых биогенов нельзя. Например, роль животных велика в разложении подстилки, в переработке живых и мертвых корней растений в почве и т.д. Существенна роль животных в миграции подвижных соединений азота, фосфора, и без таких данных невозможно правильно регулировать их круговорот. Для многих животных характерно сходство концентраций макроэлементов (С, Р, К, Mg, Na) и содержания воды в теле независимо от их систематического положения, типа питания, района исследования; концентрация микроэлементов в теле животных обусловлена видовыми особенностями и их концентрацией в пище. Влияние животных на биогенный круговорот отдельных биогенов снижается от макроэлементов – углерода, азота и фосфора – к микроэлементам, тяжелым металлам, редким и рассеянным элементам. Особое место занимают азот, фосфор и калий, доступные формы которых концентрируются в основном в биомассе организмов в агросистемах, особенно при внесении в почву сложного компоста. И роль животных в этих процессах достаточно важна, поскольку именно они и микроорганизмы сдерживают выход этих элементов из агросистемы, создавая малый круговорот этих биогенов в цепях питания. Перемещение других биогенов в значительной степени связано с азотом и фосфором, и потому их малые круговороты в аграрных системах достаточно емкие и значительное количество их выходит за пределы системы и еще меньше переходит в неподвижные фонды. Просматривается ключевая роль микроорганизмов в накоплении и определении путей миграции биогенов в аграрных системах 216 важнейших элементов минерального питания для растений и животных – азота, фосфора и калия (Вернадский, 1994). Следует подчеркнуть, что в биогенной миграции элементов участие животных проявляется прямо или косвенно, больше или меньше, а потому не учитывать их влияния, безусловно, нельзя. Агроландшафты и их устойчивость. Климатические условия каждого региона указывают на постоянство окружающей среды, но установить соответствие между этими условиями и популяциями различных таксонов не всегда легко. Для крупных особей с низким отношением их площади к объему влияние внешней среды на их внутреннюю среду существенно меньше, чем для относительно мелких организмов, у которых отношения площади к объему резко увеличиваются. Влияние изменений среды до определенного уровня сглаживаются массивностью биомасс (чем она больше, тем меньше действие среды) и умеренностью процессов, определяющих обновление популяций организмов. Зрелые организмы и полночленные популяции более гибкие и устойчивые, чем молодые особи и неполночленные популяции; молодые особи и неполночленные популяции мельче, физиологически менее развиты, а животные менее адаптированные. Левосторонняя популяция менее устойчива (Белюченко и др., 2010 е). Большое значение для устойчивости посевов в агроландшафте имеет продолжительность их реакции на изменение условий среды обитания. Популяции мелких организмов, отличающиеся интенсивным размножением, быстрее реагируют на изменение среды, чем крупные. Для мелких организмов существует несколько направлений (морфологических, физиологических, эволюционных), позволяющих им пережить краткосрочные изменения среды. На устойчивость к изменениям среды оказывает прямо противоположное влияние соотношение продуктивности биомассы и размеров особей. Мелкие организмы достигают большой численности в популяциях и весьма заметно реагируют на изменяющиеся условия увеличением или падением обилия биомассы. Крупные организмы имеют небольшие популяции, и они весьма консервативны в реакции на многие вариации среды. Следует считать популяции или сорта устойчивыми независимо от размеров организмов, если устойчивость сохраняется длительный период при изменяющихся условиях среды. Неустойчивость определяется по выпадению популяции. Устойчивость круп217 ных популяций всегда выше, чем мелких, независимо от их размеров и биомассы. Устойчивость вида (или популяции) определяется степенью его специализации по использованию ресурсов, а также размерами популяции, более приспособленной по сравнению с их паразитами, хищниками, конкурентами и жертвами. В процессе эволюционного развития виду легче приспособиться к борьбе с немногочисленными своими врагами (хищники, конкуренты, паразиты), чем виду с весьма многочисленными врагами (Белюченко, 2004 д). Устойчивость агроландшафта определяется высоким разнообразием составляющих его видов и сложностью трофических связей в ней. Сложная система, как правило, сглаживает и реже усиливает действие отдельных условий на еѐ реакцию. В опытах K.Watt (1964), изучавшего флуктуации в популяциях чешуекрылых, обитающих на деревьях, установлено, что размеры популяции насекомых возрастают с увеличением числа пород деревьев, используемых насекомыми в качестве источника питания. Последствия нарушений условий жизнеобеспечения агроландшафта, как правило, одни и те же: число видов снижается, а численность популяций выживших видов резко возрастает. Так, перевыпас луга ведет к его зарастанию кустарниками, достигающими большого обилия, затеняющими поверхность почвы, снижающими испарение, создающими благоприятные условия для осок и других болотных видов и изменяющими навсегда характер системы, что создает гибельные условия для многих ранее существовавших видов. Элементы стабильности и устойчивости в динамической природе земной поверхности просматриваются в процессах энергообмена и формирования первичной продукции, определяющих круговороты вещества в экосистемах вплоть до биосферы. Эти процессы являются основным критерием упорядоченности природы. Наша планета представляет собою открытую систему в космосе, а потому еѐ развитие связано и определяется законами космоса, с частями которого происходит постоянный обмен веществом и энергией. Процессы ассимиляции и диссимиляции составляют основу жизни и определяют характер обмена веществ; эти процессы равновесны лишь относительно, поскольку развитие и увеличение живого вещества базируется на лучистой энергии солнца и вовлечении в биологический круговорот биогенных веществ, например сложного 218 компоста, что обусловлено постоянным накоплением и нарастанием массы продуктов жизнедеятельности организмов, которые выделяются в среду их обитания, включаются в круговороты или пополняют массу активных веществ (кислород и другие газы). Минерализация соединений углерода, выключение этого элемента из круговорота, а энергии из пищевых цепей, идет вместе с процессами ассимиляции. Кроме того, накапливаются биогенные карбонатные и кремнистые осадочные слоевища, что указывает на формирование шлаков в ходе биологических процессов. Свой механизм устойчивости и равновесия по отношению к внешним и внутренним условиям (формирование агроландшафтов, экосистем и т.д.) создает и биосфера, выступающая как глобальный трансформатор вещества и энергии. Адаптация к условиям внешней среды (количество и соотношение тепла и влаги, их динамика, химизм и другие свойства почвогрунтов и воды) является одним из важных механизмов, обеспечивающих устойчивость биосферы как системы. Создание биосферой современной атмосферы и почв также следует отнести к числу важнейших механизмов биологического равновесия в природе. Важным механизмом устойчивости и равновесия в природе является эволюционный процесс развития живого на Земле, интенсивность которого определяется, с одной стороны, биологическими факторами (конкуренция, внесение сложного компоста, отбор), с другой, солнечной радиацией, и с третьей, изменениями внешней и внутренней среды (химические, термические, трофические, физико-химические и биологические), ускоряющими или тормозящими этот процесс (Белюченко, 2005). Таким образом, человек влияет на агроландшафты и биосферу в целом через получение и использование солнечной энергии, новых веществ и соединений и изменяет природу в нужном для себя направлении (строит плотины, электростанции, города и т.д.). В таком аспекте человек выступает как разрушитель природы, еѐ деформатор. Этот процесс начался давно, когда человек научился выделять отдельных животных и растений, чтобы выжить самому, что вело к изменению видового состава организмов в системах. Везде, где человек поддерживал результаты своего труда вложением новых сил, изменения приобретали необратимый характер. Своими действиями в отношениях с природой человек видоизменяет круговороты биогенов, нарушает сложившиеся потоки энергии и создает новые технологии. 219 220 ГЛАВА 10. ВЛИЯНИЕ СЛОЖНОГО КОМПОСТА НА ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА INFLUENCE OF COMPLEX COMPOST ON PHYSICAL PROPERTIES OF SOIL Complicated compost is used for recultivation of soils and represents a new direction in practical husbandry and ecology defining the artificial creation of complex mixtures of different wastes of industrial and agricultural production, as well as household residues and natural materials for the enrichment of organic and mineral dispersed and colloidal systems with purpose to improving their physical -chemical and biological and ecological functions. Сложный компост используется для рекультивации почв и представляет собой новое направление в практическом земледелии и экологии. В основе сложного компоста искусственное создание комплексных смесей различных отходов промышленного и сельскохозяйственного производства, а также бытовых остатков и природных материалов для разнообразия органических и минеральных дисперсных и коллоидных систем с целью совершенствования физико-химических и биолого-экологических функций субстрата. Промышленность и сельское хозяйство, а также жизнеобеспечение населения являются источниками большого количества отходов, которые с нашей планеты никуда не исчезнут, а ежегодно накапливаются, занимая все новые территории, в том числе и значительные площади сельскохозяйственных угодий. Между тем многие отходы, имеющие в своей основе природное происхождение, могут быть использованы в качестве вторичного сырья с целью улучшения физико-химических свойств верхнего слоя почв. Кафедра общей биологии и экологии Кубанского госагроуниверситета совместно с кафедрой физики почв МГУ в течение ряда лет исследует отходы химических заводов, производящих фосфорные и калийные удобрения, цементн, свеклосахарных и других органических отходов, кроме того навоза КРС, свиней, куриного помета, а также деревообрабатывающей промышленности и других производств в плане возможного их использования для улучшения качества почвы. 221 В общепринятом понимании отдельные отходы промышленных производств (фосфогипс, известняковая мука, зола и др.) не являются коллоидными системами, но они содержат массу сверхтонких частиц сульфата кальция, кремнефторидов натрия и калия, фосфатов полуторных окислов, соединений серы, различных агрегатов, адсорбированных на поверхностях их частиц. Эти частицы проявляют коагуляционные свойства при перемешивании с почвой и различными органическими отходами сельского хозяйства, формируя комплексные органоминеральные соединения, которые представляют собой искусственную смесь органических, минеральных и органоминеральных выбросов сельскохозяйственного, промышленного, бытового и природного происхождения и из которой формируется впоследствии сложный компост. При комплексном образовании сложный компост способен существенно улучшить физические, химические и биологические свойства верхнего слоя почвы через обогащение питательными веществами и коллоидными агрегатами (Белюченко, 2013). Сельскохозяйственные отходы включают все виды и формы навоза – твердый и жидкий (КРС и свиней, куриный помет) и остатки растениеводческой продукции (солома зерновых, стебли кукурузы, корзинки подсолнечника, листья и отходы сахарной свѐклы и овощей, выжимки плодов и т.д.); промышленные отходы – это твердые и жидкие минеральные отходы переработки естественного сырья (фосфогипс, галиты, сильвиниты, известковая мука, зола и др.); отходы быта – это сточные воды и их пастообразные осадки; природные отходы имеют в основном органическое происхождение и представляют опад листьев, плодов, устаревшей коры, однолетние ветки кустарников, деревьев, ветошь трав, а также минеральные материалы осыпей и разрушения горных пород (Белюченко, Мельник, 2010). Структура сложного компоста зависит от количества ионов кальция и магния и делится на мелкозернистую (минеральные коллоиды разбросаны и не связаны друг с другом) и комковатую (коллоиды соединены в сравнительно стойкие агрегаты). Комковатый компост лучше пропускает влагу и хорошо обеспечен кислородом. Состав и структуру сложного компоста определяет видовой и популяционный состав живых организмов – бактерий, актиномицетов, 222 одноклеточных водорослей, а также многочисленных представителей микро– и мезофауны (Белюченко и др., 2010 и). Кальций, поступающий в сложный компост в основном с твердыми и жидкими минеральными отходами, усиливает водопотребление нового образования, определяет прочность структурных агрегатов, образуемых в основном дисперсными и коллоидными минеральными системами, обезвреживает токсичное действие многих солей тяжелых металлов. Его источником в компосте может быть фосфогипс, доломит, мел, известковая мука и другие природные минералы, а также остатки соединений органических образований – зола древесных пород, кукурузы, отходов лузги подсолнечника и т.д. Водоудерживающая способность компоста зависит от наличия в нем коллоидов – минеральных, органических и органоминеральных, имеющих огромную суммарную поверхность (на 1 см3 их коллоидных структур приходится до 1 га общей суммарной поверхности), что объясняет их большую способность к физической адсорбции – поглощению и удержанию на поверхности воды и растворенных в ней питательных веществ (Славгородская и др., 2010 а, б, в). Свойства отходов. Для минеральных отходов характерна большая гетерогенность гранулометрического состава, отличающегося физической и химической стабильностью и длительным сохранением физико-химических свойств вследствие слабой их растворимости. Химическая стабильность минеральных отходов и их способность продолжительное время (десятилетия) сохранять свои свойства является итогом длительного геологического периода формирования минералов из группы осадочных пород, что обусловило определенное соотношение реакционно активных и относительно инертных элементов, находящихся в малорастворимых соединениях. Способность минеральных отходов сохранять высокую стабильность при их введении в сложный компост в дисперсном варианте, медленно трансформируясь в органоминеральные соединения, является важным и весьма ценным в практическом отношении свойством по поддержанию благоприятных для живых организмов физических, химических и биологических характеристик субстрата. Для агрономии в сложном компосте важно иметь лабильные и легко 223 растворимые минеральные соединения, быстро высвобождающие для развития живых организмов в больших количествах питательные вещества (Ca, S, Р и др.) (Белюченко, 1997; Белюченко, Славгородская, 2013 а). Физические и химико-биологические свойства минеральных отходов стабилизируют развитие природной среды, благоприятствуя сохранению в сложном компосте органического вещества и снижая его минерализацию. Сокращение скорости минерализации органического вещества в сложном компосте обеспечивает более экономное расходование органического и минерального азота и стабилизирует показатель отношения C:N от 20:1 до 25:1. В гранулометрическом отношении минеральные отходы представлены минеральными частицами разного размера (от 0,0001 до 20 мм) и различной конфигурации. В чистом виде они состоят из физически и химически инертных и механически прочных исходных минеральных соединений; характеризуются как устойчивые и в определенных условиях химически инертные материалы, труднодоступные для микроорганизмов в силу их особого гранулометрического строения. Определенную стабильность минеральным отходам, которые быстро набухают при смачивании, в природной среде придают серная, фосфорная и другие кислоты; кислая среда субстрата легко очищает поверхность частиц от бактерий и других микроорганизмов. Со временем привносимая органоминеральная пыль постепенно меняет реакцию поверхности частиц минеральных отходов и начинается их поэтапное освоение микроорганизмами, водорослями, а затем и более крупными продуцентами. Такие участки, накапливающие бактерии и грибы, водоросли и почвенные животные остатков разных стадий разложения, включая семена, споры и гифы грибов, становятся весьма привлекательным и энергетически емким субстратом для живых организмов, формируя участки микробной биомассы с высокой биологической активностью (Белюченко, 2004 г). Гранулометрические фракции минеральных отходов различаются по емкости катионного обмена и его потенциальной способности формировать органоминеральные комплексы. Содержание в них водорастворимых соединений является важнейшим показателем их биологической доступности, с одной стороны, и способности длительно поддерживать определенную устойчивость субстрата, защи224 щая от быстрой деградации, с другой. В связи с гранулометрической многокомпонентностью, разноразмерностью и полифункциональностью частей минеральных отходов (зола, известковая мука, фосфогипс и др.), многообразием компонентов их трансформации, а также функциональной устойчивости физических и биологических характеристик, они являются важными в физико-химическом отношении мелиорантами. Почвенные микроорганизмы, использующие в качестве источника энергии помимо органического углерода почвы также некоторые другие элементы (S, P, Mo и т.д.), выступают важным биологическим агентом трансформации сложных соединений минеральных отходов. Микроорганизмы разлагают сложные минеральные соединения на простые, которые подвергаются химической и биологической реутилизации. Разложение потенциально прочных соединений минеральных отходов происходит медленно, что и обеспечивает долговременное действие при их внедрении в сложный компост; взаимодействие дисперсных минеральных частиц таких отходов с органическими соединениями и образование органоминеральных комплексов являются важнейшими механизмами стабилизации органического вещества получаемой смеси и началом формирования почвенных агрегатов, физически защищающих органическое вещество почвы (Белюченко, Славгородская, 2013 а). Минеральные соединения осуществляют физическую и химическую стабилизацию органического вещества сложного компоста через снижение в нем влаги и инактивацию редуцентов, размещающихся на поверхности микроагрегатов в связи с наличием и возможным образованием серной кислоты. Наибольшая доля микроорганизмов свойственна внешней части микроагрегатов, внутри которых размещаются микрочастицы минеральных отходов, имеющие силикатную основу и образующие гидрофобные зоны. Поскольку навоз, дефекат, осадки сточных вод и другие отходы органических веществ представлены в основном биохимически лабильными материалами и они активнее поддаются физической и химической стабилизации органических смесей (Александрова, 1980). Важнейшей основой стабилизации органического вещества в сложном компосте является агрегирование его частиц. Основным объектом аккумуляции органического углерода и азота являются микроагрегаты, представляющие вторичные комплексы минераль225 ных коллоидов с органическими частицами отходов. Микроагрегаты формируются в процессе перестройки органических частиц и их осаждения на коллоидах минеральных отходов. Предстоит решить еще немало вопросов в изучении механизма агрегирования в сложном компосте как минеральных, так и органических отходов. Ядром формирующихся агрегатов при комбинации минеральных и органических отходов, на наш взгляд, выступают их коллоидные частицы: именно они выполняют основную роль в поддержании стабильности микроагрегатов, определяющих своего рода физико-химические барьеры на пути развития сообществ микроорганизмов, влияющих на трофические связи, состояние минеральных элементов, накопление ими воды и т.д. (Берсенева, 1995; Белюченко, 2013 а). Основной механизм агрегирования при внесении минеральных отходов, на наш взгляд, определяется образованием органоминеральных комплексов через связывание лабильных органических веществ достаточно устойчивыми агрегирующими образованиями (прежде всего гуминовыми кислотами) с минеральными микрочастицами, что легко выявляется при увлажнении и перемешивании органических и минеральных веществ. Образование микроагрегатов с участием минеральных структур наблюдается уже на 2-3-й день после правильного смешивания и перемешивания разнородных субстратов с накоплением органических веществ на поверхности частиц минеральных коллоидов. По разным причинам с внесением в сложный компост минеральных отходов интенсивность разложения органического вещества в нѐм снижается, а период полураспада гумуса повышается. Проблемы агрегирования органических и минеральных отходов представляют большой научный и практический интерес, а потому их исследования весьма важны и перспективны (Белюченко, 2013 а). Минеральные отходы содержат в разных соотношениях оксиды, составляющие основу земной коры (CaO, Fe2O3, FeO, MgO, TiO2, MnO2, Cr2O3, CuO, SiO2, BaO), запасы которых в настоящее время в почвах сократились из-за выноса их с урожаем, выветривания и выщелачивания, что, естественно, сказывается на количестве субстрата верхнего слоя почвы, а также на количестве и качестве урожая сельскохозяйственных культур. Поступление в почву таких веществ даже в малых дозах способствует еѐ обогащению и благоприятствует развитию растений и формированию ими качественно226 го урожая. Внесение в почву сложного компоста способствует еѐ обогащению кальцием, магнием, железом, цинком, серой и другими элементами, которые необходимы для растений (Кононова, 1984). С внесением сложного компоста в почве повышается содержание минеральных коллоидов, усиливается их агрегирование, улучшается аэрация, больше накапливается и сохраняется влаги, экономнее расходуется азот, интенсивнее разлагаются стерневые остатки кукурузы, подсолнечника, суданской травы и т.д. В зерне озимой пшеницы повышается содержание белков, углеводов, провитамина А, витаминов группы В, аминокислот, растворимых полисахаридов, биотина, бетаглюкана и минеральных элементов: Mg, Ca, S, P, Si, Fe, K, Zn и др. (Белюченко, 2013 в). В результате хозяйственной деятельности человека произошло уничтожение почвы на значительной территории суши, существенно усилилась деградация почвенного и растительного покрова, увеличилось загрязнение почвы и водных систем. Отмечается гибель многих популяций и видов организмов – от бактерий, грибов, актиномицетов до высших цветковых растений и млекопитающих животных, а значительные территории земель покрылись отходами промышленности (терриконы шахтных разработок, отвалы твердых бытовых, химических и полиметаллических отходов), сельского хозяйства (навоз свиной и КРС, куриный помет), осадки сточных вод и т.д. (Белюченко, Мустафаев, 2013). За период своей деятельности человек утратил примерно 2 млрд га ранее плодородных земель. Хорошо известны случаи гибели плодородных почв в Северной Африке и в междуречье Тигра и Евфрата и их превращения в пустыню в Передней Азии. Немалые площади земель превратились в «техногенные пустыни», в водные системы и т.д. Сегодня площадь обрабатываемых земель в мире составляет около 1,5 млрд га, часть из которых ежегодно отчуждается, в основном для строительства (6-8 млн га), и примерно столько же приходит в непригодность из-за сильной водной и ветровой эрозии, засоления, закисления, загрязнения. Наибольшую опасность представляет почвенная эрозия, вызванная усилением процессов выветривания и вымывания в связи с ускорением уничтожения лесов, гибели лесных посадок, непродуманного использования земель и т.д. (Добровольский, Никитин, 1986; Белюченко, 2014 е). 227 Современное состояние верхнего слоя почв. Проблемы почв сегодня характеризуются широким замещением биосферы техносферой со всеми новыми подходами к их изучению. Одним из случаев замещения блока экосистемы техносферой является превращение природных почв в малоподобные естественным образованиям субстраты, выполняющие в основном функцию производства продукции сельскохозяйственных растений, но потерявшие многие другие функции, свойственные в прошлом естественной почве (Добровольский, Никитин, 1986). Техногенная почва нарушает многие отношения между составляющими биосферы. В первую очередь это касается сокращения видового многообразия, упрощения экологических связей в экосистеме, резкого сокращения пищевых сетей и т.д. В такой ситуации почва находится под постоянным давлением прежде всего атмосферного загрязнения тяжелыми металлами, пестицидами, нефтью, внесения удобрений (минеральных и органических), размещения твердых и жидких отходов, трансграничных переносов поллютантов через атмосферу и воздух и других факторов. Сельское хозяйство использует почву как основу для получения урожая через внесение минеральных удобрений, а также заметно ограничивает еѐ экологическую функцию в биосфере, нарушая растительный покров, сокращая содержание гумуса, существенно загрязняя пестицидами, тяжелыми металлами, нефтью и другими веществами. Обращается слабое внимание на изменение экологических функций почв, и эта проблема изучается недостаточно (Kurakov et al., 1994; Смагин, 2011; Попок, Белюченко, 2013). В нашем крае сравнительно небольшая площадь природных угодий имеет ненарушенный почвенный покров, а основная часть еѐ равнинной территории представлена почвами сильной степени нарушенности (рекультивированные отвалы, искусственные почвы, почвоподобные тела) и другие формы с весьма ограниченными экологическими функциями и прежде всего заметным снижением физического, химического и биологического разнообразия. Заметно сокращается влияние почвы на другие составляющие биосферы и прежде всего – на их водную составляющую со всеми живыми организмами. Газовые функции почвы, включающие образование аммиака, метана, углекислого газа и других выделений, усиливают парниковый эффект, что вызывает заметное изменение климата пока отдельных частей планеты (Белюченко, 2001 а). 228 Эволюция почвенного покрова проходит в условиях согласованной жизнедеятельности растений и животных, автотрофов и гетеротрофов, бактерий и грибов, актиномицетов и одноклеточных водорослей, что обеспечивает благоприятное соотношение между множеством физических и химических свойств верхнего слоя почв и населяющими их живыми организмами (Александрова, 1980). С некоторых пор, но особенно в ХХ веке, наблюдается резкое нарушение сложившегося процесса общего развития верхнего слоя почвенного покрова, в целом в биосфере и наметились угрожающие тенденции снижения разнообразия как живых организмов, так и ухудшения свойств самих почв (физических, химических и биологических) из-за очень сильного вмешательства человека во взаимодействия различных составляющих природы (Белюченко, 2013 г). Остается все меньше почв в истинном понимании этого слова и все больше возникает почвоподобных образований с новыми свойствами и качествами субстратов (Белюченко, 2001а). Такое положение вызвано двумя причинами: 1) деградацией верхнего слоя почв в связи с вмешательством человека в их системы (эрозия, вызванная обработкой почвы; выделение территорий на другие цели, в частности под промышленное строительство, загрязнение пестицидами, ТМ, нефтью и т.д.), 2) отчуждением с ежегодным урожаем сельхозкультур и выносом питательных веществ – органических, минеральных и органоминеральных. Серьезной альтернативы негативным изменениям почв сегодня не предлагается, но все больше площадей занимается разными отходами, что в целом вызывает дисбаланс активности практически всех функций почвенного покрова (Мельник, 2009 а; Белюченко, Мельник, 2010). Именно проблема поддержания плодородия почв и ставит задачу сохранения почвенного разнообразия, включая структуру почвенного покрова, сохранение его физических, химических и биологических свойств. Выделяя важные задачи экологического функционирования почв, следует уделить особое внимание жизнедеятельности почвенных организмов, их многообразию, популяционному обилию и т.д., а также преобразованию отходов быта, жизнедеятельности растений и животных. Преобразование различных отходов, образовавшихся не только при функционировании животных и растений, а в первую очередь промышленностью и бытом, следует 229 рассматривать как серьезную задачу, требующую решения на биосферном уровне (Белюченко и др., 2010 з; Belyuchenko, 2014 б). Масса самых разнообразных отходов – химических, металлургических, животноводческих, бытовых и других – покрывают земельные площади страны и края (Мельник, 2011; Славгородская, Ткаченко, 2013). Как с ними поступать? Исследования, которые предприняты в Кубанском государственном аграрном университете, показывают, что эту проблему можно и нужно решать, но использовать различные отходы не по отдельности, а в системе подготовки и применения сложных компостов, подбирая подходящие по физическим и химическим свойствам компоненты. Правильное соотношение компонентов ускоряет время созревания сложного компоста, дает возможность создавать разнообразные по своим свойствам сложные смеси, разрабатывать нормы их внесения и решать другие практические задачи (Белюченко, 2012 в). Оплачивать работу подобного рода по использованию отходов должны те компании, которые их создают, загрязняя в самом широком смысле окружающую среду, ухудшая еѐ для человека. В стране следует изменить систему контроля за отходами. Не штрафами надо ограничиваться, а заняться решением экологических проблем: помогать компаниям, которые образуют отходы, решать эти проблемы. Основополагающей функцией таких контрольных органов должна быть обязательная охрана почв и водных систем от разрушения и гибели, особенно сельскохозяйственных земель. Учитывая серьезность проблемы сохранения почвенного покрова, в этой главе мы рассмотрим некоторые вопросы подготовки и использования сложных компостов с целью улучшения экологических функций верхнего слоя почв (Белюченко, 2011 б; Белюченко, Славгородская, 2011; Ткаченко, Помазанова, 2013). Свойства сложного компоста зависят от состава включаемых в него органических и минеральных отходов. Сложный компост отличается определенной спецификой физического, химического и биологического состояния, не имея ни определенного строения, ни сколько-нибудь сформировавшихся сообществ живых биологических объектов, и на этапе смешивания не проявляет определенных экологических функций. После соединения разных отходов, которые вначале бесструктурны, органические вещества в них в скором времени вызывают образование новых органоминеральных агрега230 тов, являющихся результатом взаимодействия минеральных и органических соединений различных компонентов (Белюченко, 2013 е). Сложный компост формируется с использованием промышленных и сельскохозяйственных отходов, а также отходов быта в соотношении примерно 10% органических и 20% активных минеральных и до 70% нейтральных или долго разлагающихся компонентов (опилки, отходы от обработки кукурузных початков, риса и т.д.). Особенность сложного компоста связана с включением особо активных отходов (кислых или щелочных), способных нейтрализовать грибковые и бактериальные патогены, различные поверхностные активные вещества, переводить тяжелые металлы, пестициды, газообразные вещества и т.д. в труднодоступные для растений соединения. Сложный компост одной сельскохозяйственной зоны будет отличаться от другой в основном соотношением физических и химических свойств его составляющих, а также экологическими особенностями вследствие различий в них видового состава живых организмов (Славгородская, Гукалов, 2011). В целом формирование сложных компостов независимо от типа угодия имеет общие принципы (множественность видов отходов), а основное отличие определяет соотношение их составляющих (Белюченко, 2009 а). Наиболее активные компоненты сложного компоста определяют подвижность и концентрацию отдельных веществ. Основную роль в сложном компосте играет органическое вещество, которое принимает на себя роль поглотителя и регулятора миграции отдельных элементов и веществ и определяет количество экологических ниш, постепенно увеличивая их численность и многообразие. Органическое вещество сложного компоста влияет на водный и воздушный режимы и развитие в нѐм живых организмов, а в последующем – и на почвенный покров, в который будет вноситься эта смесь. Сложные компосты, оказывающие влияние на почвенный покров, отличаются спецификой регионального разнообразия природных и антропогенных источников образования отходов. Внесение в верхний слой почвы сложного компоста, содержащего до 55 т/га органического вещества и 7 т/га фосфогипса, способствовало снижению плотности сложения почвенного покрова и повышению в нѐм удельного объема пор. Так, в первый год после применения компоста (2008 г.) в посевах сахарной свеклы плотность почвы на контрольном участке составила 1,25±0,05, на опыт231 ном – 1,17±0,04 г/см3. Удельный объем пор, характеризующий отношение их объема к массе твердой фазы почвы, повысился на 10,5%, что увеличило объем порового пространства почвы и положительно сказалось на развитии бактерий (табл. 10.1) (Белюченко и др., 2013 б). Почва контрольного участка была уплотнена сильнее – значение плотности находилось на границе максимального диапазона для культуры. Поэтому корнеплоды сахарной свѐклы испытывали заметное механическое сопротивление, что вызывало их деформацию, замедляло рост и снижало урожай. На опытном участке отмечено формирование более крупных корнеплодов, а доля нестандартных (неправильной формы) была значительно ниже и составила 5,2% (в контроле – 17,1%). Урожайность сахарной свѐклы в 2008 г. достигла на контрольном участке 410,2, и на опытном – 450,5 т/га (Белюченко, Мустафаев, 2013). Таблица 10.1. Плотность сложения и удельный объем пор чернозема обыкновенного в вариантах опыта Вариант Контроль (NP) Сложный компост Контроль (NP) Сложный компост Контроль (NP) Сложный компост Контроль (NP) Сложный компост Контроль (NP) Сложный компост Плотность, г/см3 Удельный объем пор, см3/г Сахарная свекла, 2008 г. 1,25±0,05 0,38±0,02 1,17±0,04 0,42±0,02 Озимая пшеница, 2009г. 1,23±0,04 0,40±0,01 1,16+0,04 0,43±0,02 Кукуруза, 2010 г. 1,24±0,03 0,39±0,02 1,1б±0,01 0,4310,01 Озимый ячмень, 2011г. 1,22±0,03 0,40±0,01 1,15+0,02 0,45±0,02 Озимая пшеница, 2012г. 1,29±0,01 0,40±0,02 1,16+0,01 0,46±0,01 В посевах озимой пшеницы (2-й год после внесения сложного компоста) плотность почвы на опытном участке в среднем была на 5,7% ниже, чем на контроле – 1,16±0,04 г/см3; удельный объем пор выше на 7,0%. Такие изменения сказались на развитии корневой 232 системы злака. Для растений, выращенных на почве со сложным компостом, характерна мощная и разветвленная корневая система с формированием большого количества придаточных и боковых корней. Отмечено повышение ее массы и объема, что увеличило активную всасывающую поверхность подземных органов и лучше обеспечивало растение элементами питания и водой. В 2010 г. плотность сложения контрольной почвы под посевом кукурузы изменилась по сравнению с предыдущими годами и составила 1,24±0,03 г/см3, а с внесением сложного компоста – 1,16±0,01. Применение сложного компоста обусловило более интенсивный прирост корней кукурузы и объем их распространения в почве. Для четвертого года исследований последействие сложного компоста также сказалось на изменении плотности сложения и удельного объема пор почвы. Различия в вариантах по плотности почвы (г/см3) были статистически значимы для всего периода исследований (Белюченко, Славгородская, 2013 а; Гукалов, Славгородская, 2011 а; 2013). Составление сложного компоста. По своей структуре сложный компост можно представить как открытую термодинамическую систему, получающую тепло и энергию из внешней среды (Солнце) и внутренних ресурсов (разложение органического вещества, углеводородов, белков, жиров, ферментов и др.), стимулируя их упорядочивание и совмещение. Сложный компост, включающий в первую очередь различные по физическому и химическому составу отходы различных производств и быта, представляет собой неоднородный физико-химический субстрат, вносимый в верхний слой почвы. Разнообразие сложных компостов связано с их компоновкой из различных отходов, их соотношением, а также со сложностью физического и механического строения используемого каждым производством сырья. Сложный компост можно рассматривать как будущее комплексное удобрение, дублирующее состав и свойства почвы – абиотические (гранулометрический и валовый состав, оводненность, агрегирование, воздушный режим, содержание питательных веществ) и биотические (бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли, микро– и мезофауну). Первые представления о компостах мы находим у А.Т. Болотова (вторая половина XVIII века) – одного из основоположников русской агрономической науки. До 50-х годов ХХ века это понятие 233 соотносилось с использованием отходов в основном крупного рогатого скота и лошадей с целью внесения органического вещества на пашне (Болотов, 1931). Затем роль этих отходов упала до минимума, потому как широко стали использовать минеральные удобрения. В начале XXI века, во-первых, минеральные удобрения стали дорогими, а во-вторых, установлено, что минеральные удобрения имеют предел повышения урожайности, и интерес к органическим удобрениям снова стал возвращаться. К сожалению, потеряны многие технологии перевозки и внесения навоза, заброшено производство по этому направлению, и использование навоза стало весьма проблематичным. Кроме того, внесение одного навоза по ряду причин, на которых мы остановимся ниже, совершенно не устраивает сегодня земледельцев. Куда интереснее, эффективнее, а самое главное – экологичнее проявила себя новая форма подготовки смешанных удобрений, или сложных компостов. Все сельскохозяйственные почвы имеют пониженные экологические функции, и прежде всего снижен видовой и популяционный состав живых организмов, определяющих их биоразнообразие, а также обеднен их физический и химический состав. Подготовка сложного компоста и его внесение в верхний слой почвы существенно его преобразует: усиливается инфильтрация, идет активное обогащение живыми организмами, ускоряется преобразование почвенно-грунтовых вод, повышается, по сути дела, качество фильтрата подземных вод, улучшающих водно-воздушный режим почв, и т.д. Развитие сложных компостов и их применение возникло в ответ на губительные последствия в земледелии – стремительное разрушение почвенного покрова при внесении больших норм минеральных удобрений, особенно азотных (Белюченко, 2012 б). Сложные компосты, по нашему мнению, при их правильном формировании (подбор и соотношение, сроки подготовки, внесение, глубина заделки и др.), являются самостоятельным почвоподобным образованием, создаваемым человеком в поддержку естественных законов природы – защитить и сохранить плодородие верхнего слоя почвы. Развитие этого направления станет возможным в случае признания в земледелии и прикладной экологии научного и практического значения сложных компостов на основе подбора отходов, позволяющих формировать физическое и химическое многообразие субстрата, способных расширить возможности улучшения самой 234 почвы и создать на этой основе новые экологические ниши (Белюченко, Славгородская, 2011; Белюченко, Мустафаев, 2013). Сложный компост представляет собой смесь разнообразных органических и минеральных отходов, пригодных для формирования специфической среды для физического, химического и биологического взаимодействия, а также выделения на этой основе новых направлений в развитии экологических ниш, а также в области теоретических и практических исследований современной агрономической науки. Неоднородность сложных компостов и их пестрота по физико-химическому составу практически исследована мало. Однако опыт изучения физического состава сложных компостов, создаваемых в степной зоне Краснодарского края, позволяет высказать предположение, что их неоднородность значительно ýже по сравнению с мозаичностью строения верхнего слоя почвы. С учетом такого обстоятельства и возможностей искусственного регулирования их состава можно компоновать сложные компосты, приближенные по наиболее важным агротехническим свойствам к основному типу почвы. По своему строению сложный, или комплексный, компост представляет собой весьма многообразное гетерогенное образование, развитие и функционирование которого в процессе его формирования идет по законам живой и неживой природы (по биокосному типу). Весьма значимо то, что сложный компост в целом формирует открытую многофазную гетерогенную полидисперсную термодинамическую систему, где химические и физические взаимодействия проходят при активном участии твердых, жидких и газовых фаз, а также различных биологических составляющих – микроорганизмов (бактерий, грибов, актиномицетов, одноклеточных водорослей) и разноуровневых по организации групп животных микро- и мезофауны при постоянном влиянии на эти взаимоотношения физических и других процессов через солнечную радиацию, испарение, увлажнение, температуру, ветер и другие факторы (Белюченко, 1997; 2005г). Сложный компост отражает экологические особенности конкретной природно-климатической зоны, специфику использования тепла, осадков, испарения и выделяется своими минеральными и органическими свойствами. Структура сложного компоста опреде235 ляется особенностями развития верхнего слоя почвы в зависимости от еѐ неоднородности и геоморфологического состава и строения. Сложный компост выделяется самостоятельностью своего развития и в то же время соответствием на конечном этапе основным составляющим почвенного покрова, в чем и проявляется важная суть его значения и формирования как структурного образования (Белюченко, 2008). Сложный компост объективно отличается весьма оригинальным органоминеральным составом, отличным от отдельных его составляющих, и без конкретной характеристики его агрономической и экологической ценности не может быть применен эффективно. Изучение структуры сложного компоста дает возможность оценить агрономическое значение и разнообразие его физико-химических характеристик и определить целесообразность времени и способа его внесения в верхний слой почвы. Структура сложного компоста, представляющего совокупность всех разнообразных составляющих, имеет конкретный физико-химический состав, подчиняющийся определенному механизму взаимосвязей и взаиморегулирования с верхним слоем почвы (Белюченко, 2008). Безусловно, сложные компосты, различающиеся физико-химическим составом, имеют свои особенности развития и сроки формирования. Следует отметить, что сложный компост выделяется по сравнению с верхним слоем почвы новыми свойствами, которые по отдельности в основном отсутствуют у составляющих его отходов. Агрегатное состояние субстрата. При внесении в почву минеральные коллоиды отходов взаимодействуют с органическими коллоидами субстрата и формируют органоминеральные комплексы, которые закрепляются в виде пленок-гелей на поверхности частиц ила и мелкой пыли. Если пылеватые частицы ила в сложном компосте контактируют друг с другом, то они образуют физически связанные агрегаты, которые и формируют агрономически ценную структуру. Образование сложного компоста и его внесение в верхний слой почвы способствует его оструктуриванию (табл. 10.2). На основе агрегатного анализа почвенных проб опытного участка нами установлен коэффициент структурности пахотного слоя на уровне 4,95, что позволяет отнести данную почву к оструктуренной. В почве контрольного участка этот показатель составил всего 4,1. В поч- 236 венных слоях опытного участка с внесением сложного компоста коэффициент структурности существенно выше контроля. В некоторых слоях контрольного разреза коэффициент структурности почвы снижался, что связано с увеличением количества крупных агрегатов (>10 мм), которые не входят в ее агрономически ценную часть (Белюченко и др., 2010 р; Белюченко, 2013 а). При составлении сложного компоста учитываются химические свойства полученных смесей, заметно влияющих на структуру связей и физические характеристики. Структура сложного компоста отличается автономностью и устойчивой способностью к возникновению новых свойств и вместе с этим развитием новых качеств (значительное изменение количества органического вещества, рН раствора, водоудерживающей способности и т.д.). По мере формирования сложного компоста, весьма активно приобретающего внутреннее равновесие через динамику совмещения комплексного развития всех составляющих отходов, увеличения численности экологических ниш, становления баланса отдельных биогенов и обмена энергией, а также формирования детритного типа круговорота веществ, растет потенциал его плодородия. Многие из указанных процессов зарождаются и протекают внутри сложного компоста, который является открытой системой, способной принять из внешней среды энергию (прежде всего от солнца) и воду из атмосферы (Белюченко, 2013 в). Таблица 10.2. Агрегатный анализ почвы Глубина слоя, см 0-20 20-40 40-60 60-80 80-100 100-120 120-140 140-160 >160 0-20 Размер агрегатов (мм) и их содержание (%) 10-5 5-2 2-1 1-0,5 0,5-0,25 < 0,25 Контроль (без сложного компоста) 13,61 19,23 16,42 18,30 18,48 7,96 6.00 42,92 30,22 13,57 6.94 3.37 1,68 1,31 32,31 32,08 20,52 8,32 4.14 1,60 1,03 31,99 27,13 19,16 9,06 6,16 3,69 2,80 27,93 28,86 20,70 10,09 6,17 3,58 2,68 29,56 24,03 19,40 11,58 7,67 4,22 3,53 16,80 23,82 21,85 16,25 10,36 6,61 4,31 10,57 24,65 25.22 15,96 11,16 7,17 5,27 23,27 24,13 23,20 12,21 7,87 4,96 4,37 Опыт с внесением сложного компоста 13,66 30,74 19,09 20,04 8,27 5,05 3,15 >10 237 Кс 4.10 1,26 2,00 1,87 2,27 2,02 3.74 5,31 2,62 4,95 20-40 40-60 60-80 80-100 100-120 120-140 140-160 >160 34,74 33,03 34,41 19,97 25,59 35,66 12,03 33,97 26,31 28,26 24,01 27,53 25,42 21,28 23,86 29,26 15,29 19,68 19,37 21,09 22,42 18,80 24,59 16,04 6,80 9,02 10,81 13,59 11,03 10,61 17,55 8,45 3,90 5,13 5,86 9,05 7,33 6,66 8,94 5,28 1,96 2,85 3,21 5,32 4,58 3,83 6,49 3,34 1,01 2,03 2,32 3,45 3,63 3,16 6,54 3,66 1,52 1.85 1,72 3,27 2,42 1,58 4,39 1,66 Составляемый сложный компост отличается определенными физическими свойствами, которые не всегда соответствуют почвенным условиям, для которых он формируется. Основа сложного компоста – это достаточно комплексная по внутренним свойствам морфологическая структура, определяющая его физические (плотность, накопление воды и другие характеристики), химические (рН раствора, содержание органических и минеральных коллоидов, концентрация органического вещества, биогенов и т.д.) и биологические свойства (освоение видами и популяциями растений и животных новых экологических ниш). С течением времени (3-5 мес.) в сложном компосте в теплый период образуются чередующиеся и генетически связанные между собой различные группы микро- и мезофауны, мозаично размещающиеся в зависимости от комбинации разных веществ (органических, минеральных и гумусовых). Структура сложного компоста обусловлена неоднородностью отходов, связанных с источником сырья (промышленные отходы) и типом сельскохозяйственных отходов (куриный помет, свиной навоз и т.д.), а также с отходами растениеводства и отходами быта. В таких компостах отмечается сложение компонентов, вступающих реже в двусторонние, а чаще в многосторонние связи. В отдельных структурах может преобладать односторонняя связь под преимущественным влиянием какого-то одного компонента (например, куриного помета, свиного навоза), в которых идет преобразование неоднородного первоначального состава в комплексность сложного компоста, что проявляется в основном для степной зоны края, где из-за недостатка тепла зимой и влаги летом в зависимости от рельефа и условий года его формирование идет разными темпами. Формирование сложного компоста каждого региона характеризуется в основном большим разнообразием отходов, вызванных, с одной стороны, разнообразием биоты и выращиваемых культур, с 238 другой – вырабатываемыми отходами промышленности, с третьей – использованием природных минеральных ресурсов, которые применяются в строительстве и при добыче других полезных ископаемых и могут вызывать оползни, обвалы, аллювиальные процессы, и с четвертой – варьированием отходов быта по сезонам года. Гетерогенность структуры сложных компостов определяется в основном антропогенными факторами (Белюченко, 2013 г). Важной спецификой многих отходов, особенно сельскохозяйственного производства, является значительная емкость их катионного обмена (ЕКО), зависящая от строения и гранулометрического состава смешанного субстрата (табл. 10.3). Особенности взаимодействия разных отходов. Остановимся на анализе особенностей сложного компоста и характере взаимодействия различных отходов на фоне внесения органических удобрений (полуперепревший навоз). В почве частицы с размерами от 1 до 0,001 мм составляют еѐ илистую фракцию, а менее 0,25 мкм – относятся к коллоидам, которые вместе с илом определяют важнейшие физические свойства формирующегося субстрата – твердость, способность к набуханию, липкость, поглотительную способность. Такие же физические свойства характерны и для сложного компоста, который приобретает их в отличие от почвы постепенно (Муравьев, Белюченко, 2008 а, б; Мельник, Славгородская, 2008). Таблица 10.3. Доля илистой фракции и уровень ЕКО в почве и некоторых отходах производства Вариант Почва Перегной Фосфогипс Осадки сточных вод Дефекат Отход винограда Опилки Птичий помет Рисовая шелуха % фракции <0,1мм 0,1 4,36 12,13 6,02 1,31 1,00 1,74 8,42 10,72 ЕКО, мг-экв./100 г 62,4-72,9 36,6-85,4 20,0-35,2 50,7-74,8 65,7-80,7 30,5-42,6 20,4-29,8 45,4-67,2 21,8-28,1 Органические коллоиды в почве образуются в процессе разложения растений и животных, и потому в верхнем слое их больше и составлены они гуминовыми кислотами, фульвокислотами, лигни239 ном, протеином, клетчаткой и другими органическими соединениями, включающими 10 основных элементов – С, О, Н, N, P, S, Ca, Mg, K, Na и в меньших количествах – Fe, Cu, Zn, Cl. Минеральные коллоиды почвы в основном состоят из алюмосиликатов, куда входят окись кремния (до 60% и больше), окись Al (до 25%), окись Fe (до 10%) и относительно мало соединений Ca, Mg, Ti (титан), Mn, K, Na, P, S, а также ряда микроэлементов – B, Zn, Co, Cu. В черноземе обыкновенном уровень ЕКО доходит до 70-80 мг-экв./100 г, что указывает на весьма благоприятный состав основных составляющих его ППК (Белюченко, 2013 в). Уровень сложности компостов следует иметь в виду при учете состава севооборота, проектировании мелиорации почв (рН, валовый состав, обеспеченность питательными веществами), проблем их охраны и т.п. От вариабельности состава сложных компостов зависит их сложение, физические и химические свойства, продолжительность развития и функционирования при внесении в верхний слой почвы с точки зрения содержания органического вещества, изменения коллоидного состава, катионного обмена, устойчивости почвы, изменения рН солевой вытяжки и т.д. Использование сложного компоста способствует снижению потерь органических веществ (углерода) и органического азота (Белюченко, 2013 д). В сложном компосте емкость катионного обмена представлена минеральной и органической частями. При обычном хранении навоза отмечаются большие потери в нем азотных соединений, особенно аммиака, который находится в основном в газообразной форме и вместе с жижей стекает в грунт, в результате чего теряется важнейший элемент питания растений. Сохранение азота в навозе является важной практической и экологической задачей, и поэтому наши исследования были направлены на поиски приемов, предупреждающих его непродуктивные потери. В вегетационных опытах нами установлено, что потери азота в полуперепревшем навозе при обычном хранении достигают до двух третей и больше от первоначального его содержания. Компостирование полуперепревшего навоза в сложном компосте способствует, с одной стороны, ускорению его созревания, а с другой, заметному сохранению в нем органического вещества и общего азота (табл.10. 4) (Славгородская, Гукалов, 2011; Мельник, 2012 а, б; 2013 а, б). 240 Таблица 10.4. Влияние сложного компоста на содержание азота и органического вещества (ОВ) в полуперепревшем навозе (% на сухое вещество) Срок хранения Навоз Свежий Навоз полуперепревший 3 мес. Навоз + сложный компост 15:1 3 мес. Навоз + сложный компост 15:2 3 мес. Вариант Сохранение ОВ,% 92,0 65,42 72,83 81,5 Потери ОВ,% 10,1 34,6 27,3 18,5 N,% 0,72 35,7 25,6 18,7 Рассмотрим влияние сложного компоста на потери органического вещества и азота при различных способах хранения полуперепревшего навоза. Наиболее эффективно применение сложного компоста проявилось с послойным размещением различных отходов. При чередовании слоев отдельных отходов происходит поглощение аммиака в связи с обменом катионов, например, в фосфогипсе на ион аммония. В расчете на 100 т полуперепревшего навоза в сложном компосте при участии фосфогипса сохраняется до 500 кг азота. Высокая емкость катионного обмена и органических веществ определяет значительное поглощение большей части аммония и его закрепление в гранулах. Сумма поглощенных оснований составляет от 30 до 40 мг-экв./100 г, что при замещении всего 30% емкости поглощения минеральными катионами фосфогипса в компосте будет сохранено сульфата аммония примерно 10-12 мг-экв./100 г субстрата, или 100120 кг на 1 т фосфогипса. Весьма «плотным экраном» для проникновения газообразного аммиака и других соединений азота выступает фосфогипс и другие отходы, содержащие минеральные коллоиды, находящиеся в растворенной форме в жидкой фазе. Например, фосфогипс плохо пропускает через себя навозную жижу, его частицы набухают, поглощая влагу, в массе она прирастает на 60-70%, не пропуская в подстилающий грунт жидкую часть полуперепревшего навоза. Вместе с азотными удобрениями задерживаются фосфогипсом также калий и углерод в силу их сильного агрегирования с полуперепревшим навозом. Чем суше фосфогипс, тем выше положительный эффект от его компостирования с полуперепревшим навозом (Муравьев, Белюченко, 2008б). Внесение сложного компоста и его заделка в верхний слой почвы способствует улучшению еѐ гранулометрического состава, 241 гумусированности, накоплению влаги, а также выравниванию в субстрате содержания органических веществ, азота и других элементов. Такие элементы, как калий и фосфор, скапливаются в понижениях, а на повышенных участках сложного компоста их существенно меньше, что сказывается на развитии и урожайности сельхозкультур. Внесение сложного компоста сильнее отражается, по нашим данным, на урожае корнеплодов и меньше – зерновых. Например, при внесении под свѐклу разница в прибавке урожая составила до 60 ц/га, а у озимой пшеницы – только 6-7 и реже до 12 ц/га (Белюченко, Славгородская, 2013 а). В полевом опыте в 2011 г. продуктивность кукурузы (зерно) при внесении сложного компоста была на 24 ц/га больше, чем на контроле. На озимой пшенице при понижении доли азота на 40 кг/га по сравнению с контролем еѐ урожай составил больше на 5 ц/га в 2008, на 4 – в 2009 , на 6 – в 2010 и на 5 ц/га в 2011 г. Столь заметные прибавки в продуктивности культур безусловно говорят об эффективности технологий с применением сложного компоста, что приведет к повышению и плодородия полей и урожайности культур, и улучшению качества получаемого урожая (Мельник, Славгородская, 2010; Мельник, 2012 а; Белюченко, 2013 г). Таким образом, большие различия в составе сложного компоста, что обычно связывается с неравномерностью перемешивания и соотношения составляющих отходов при подготовке, снижает его эффективность, а доведение всей массы до гомогенного состояния представляет собой важный фактор улучшения плодородия почвы и повышения продуктивности сельхозкультур при его внесении в верхний слой. Безусловно, первоначальная гетерогенность при смешивании различных отходов, а также их различия в геоморфологии – это важные факторы создания ценного сложного компоста. Чрезвычайно важна роль гомогенизации сложного компоста, без которой невозможно получить его равномерный качественный состав. Большую роль в формировании сложного компоста играют сами отходы, а их соотношение определяет разнообразие субстрата и сроки его готовности для использования в качестве мелиоранта. 242 243 ГЛАВА 11. СЛОЖНЫЙ КОМПОСТ КАК ИСТОЧНИК ОБОГАЩЕНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ПИТАТЕЛЬНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ COMPLICATED COMPOST AS AN IMPORTANT SOURCE OF ENRICHMENT OF SOIL NUTRIENTS Multicomponent complicated compost represents a good environment for a significant number of species of living organisms and populations which produce enzymes, vitamins and other active substances. Chemical and physical properties of complicated composts are heterogeneous and polydisperse interim systems, and on the gene pool of living organisms are a rich comprehensive substratum. The heterogeneity of complicated composts of characterized by a very a wide range of organisms which using animal waste and isolating of germinating seeds and spores of higher and lower plants. Многокомпонентный сложный компост представляет собой хорошую среду для развития значительного числа видов и популяций живых организмов, продуцирующих ферменты, витамины и другие активные вещества. По химическим и физическим свойствам сложные компосты являются гетерогенными и многодисперсными временными системами, а по генофонду живых организмов представляют собой богатый комплексный субстрат. Гетерогенность сложных компостов характеризуется весьма широким набором организмов, использующих отходы животных и выделения прорастающих семян и спор высших и низших растений (Belyuchenko, 20014 а). Оценка сложных компостов в подготовке искусственных качественных мелиорантов на основе использования отходов разного производства и происхождения чрезвычайно важна. Сложные компосты при правильном их приготовлении, а затем и внесении в верхний слой почвы существенно дополняют и улучшают его физико-химические и биологические свойства, функционально усиливают экологические взаимосвязи, и потому, мы считаем, необходимо выделить их в особую группу биокосных образований (Белюченко, 1997). Это возможно реализовать через совместимость в компостах четырехфазной системы их функционирования, включая три фазы 244 абиотического блока (твердую, жидкую и газообразную) и одну биотическую фазу (система живых организмов). В нашем понимании почва и сложный компост представляют собой единство биокосной системы и населяющих их живых организмов со многими экологическими функциями. Живые организмы сложных компостов составляют собой сообщества биохимического единения живых клеток всех форм организации, включая от весьма примитивных образований прокариот, до весьма сложных высокоразвитых животных, включая в свой состав сходные структурные элементы и применяющие близкие механизмы получения энергии. Сложный компост оказывает заметное влияние на численность и самое главное – соотношение ряда трофических групп почвенных живых организмов (табл. 11.1). Внесение сложного компоста в верхний слой почвы оказывает свое влияние на популяции практически всех их основных группировок (Белюченко и др., 1999; 2002). Обращает на себя внимание усиление активности азотфиксирующих и особенно целлюлозоразрушающих групп. С поступлением в почву сложного компоста при хорошем увлажнении в целом всего субстрата усиливается связь минеральной части с органическими веществами, а затем и гумусом, а также фосфором, что в основном обусловлено дисперсностью отходов и химизмом их коллоидов (Белюченко, 2004; Belyuchenko, 2014 а). Таблица 11.1. Численность основных эколого–трофических групп почвенных микроорганизмов Уровень потенциальной активности микАммонии- Амило- Нитри- Олигорофлоры,% фициру- литичефи- трофные, Вариант ющие, кл/г ские, кл/г цирую- КОЕ/г х Азотфик- Целлюлох 106 х 106 щие 105 сируюзоразрущей шающей Почва 105 115 10-5 21 62 61 Почва + 80 154 10-5 30 74 82 NPK Почва + NPK + 70 110 10-4 18 82 93 сложный компост 245 В сложных компостах в зависимости от их состава можно выделить следующие составляющие: 1) крупные минеральные и органические остатки, 2) коллоидальные образования (минеральные и органические), 3) водные и воздушные включения, 4) ионы растворимых соединений, 5) почвенные животные и микроорганизмы, 6) семена, корневища и придаточные почки растений. Близкое сходство сложного компоста с почвой подчеркивается тесным их взаимодействием и аналогией многих процессов (Белюченко, 2001 а; 2004). Сложные компосты в верхнем слое почвы играют существенную роль в системе сохранения и восстановления еѐ функций. В процессе формирования сложных компостов и подготовки составляющих отходов закладываются основы их совместимости с почвой и расширения эколого-функциональных ниш. При изложении вопросов об экологических функциях сложных компостов мы опираемся на результаты наших исследований, а также на данные других авторов (Белюченко и др., 2007 в; 2009 а; Белюченко, 2008). В основу классификации сложных компостов положены их физические свойства – влажность, температура, плотность, гранулометрический и валовый состав, а также биометрическая структура: отдельные зачатки разнообразных живых организмов, включая прокариоты и эукариоты, одноклеточные водоросли, семена растений, яйца и личинки беспозвоночных и т.д. (Белюченко, 2009 а; Белюченко, Мельник, 2010). Указанные свойства, вызванные сложным компостом, выполняют основную функцию – предоставление за счет расширения жизненного пространства экологических ниш для широкого круга живых организмов в отличие от чисто минеральных сухих или жидких удобрений. Сложные компосты не только обеспечивают возможность функционировать, но и защищают живые организмы от неблагоприятных условий, чему способствует улучшение их увлажнения, температуры и т.д. Сложный компост улучшает водный режим и условия питания всех живых организмов, обитающих в его составе (Белюченко, 2013 д; Белюченко, Крупко, 2005). Особый интерес сложные компосты вызывают своими химическими свойствами и в первую очередь – содержанием питательных веществ (гумус, азот, фосфор, сера, кальций, практически все микроэлементы, многие витамины и другие органические включения), обеспечивая важнейшую функцию – питание микроорганиз246 мов, включающихся в сложнейшие биохимические процессы в получаемой смеси (почва + сложный компост). С внесением в сложный компост минеральных отходов после увлажнения субстрата активно образуются достаточно устойчивые микро- и макроагрегаты. Известно, что органическое вещество (гумус) в различных сложных компостах отличается по срокам своего функционирования, но в целом выделяется относительно коротким активным периодом. Введение минеральных отходов в сложный компост способствует образованию в нем широкого органоминерального комплекса из микро- и макроагрегатов. Агрегация органических и минеральных частиц является весьма важной основой физической стабильности органического вещества, а сами агрегаты выполняют роль главного хранителя в сложном компосте органического углерода. Образующиеся с минеральными отходами органические агрегаты различаются по форме и размеру (Белюченко, 2013 а). Основой агрегатного устройства в сложном компосте является органическое вещество. При внесении минерального отхода, основу которого составляет кальций, организатором сложного компоста выступает все-таки органическое вещество почвы или полуперепревший навоз, но ядром формирующихся агрегатов выступают минеральные частицы размером менее 0,1 мм, на которые «наклеивается» масса органических (гуминовые вещества, белки и другие образования) и мелких минеральных частиц (алюмосиликаты) (Попок, Белюченко, 2013). Предварительная оценка продолжительности периода полураспада гумуса в черноземе обыкновенном в условиях Кубани колеблется от 1,5 до 2,5 лет, т.е. полный период расходования органического вещества в макроагрегатах в среднем составляет от 15 до 25 лет. Исследования в этом направлении весьма перспективны, поскольку получение и внесение сложного компоста и усиление в нем агрегируемости (микро- и макро-) способствует защите еѐ органического углерода, благоприятствует компостированию с органическими отходами (навоз, дефекат, куриный помет, осадки сточных вод и т.д.) и способствует удлинению активной функции совмещѐнных минеральных отходов и органических веществ в почве до 5 лет и больше благодаря их умеренному и равномерному расходованию (Белюченко, 2008; Белюченко и др., 2010 с, у). 247 Большое значение в сложном компосте имеют запасы влаги и легкодоступных питательных веществ, которые расходуются растительными и животными организмами. Питательные вещества находятся в коагулированных органоминеральных агрегатах сложного компоста. Органические коллоиды сложных компостов обеспечивают подвижные соединения питательных веществ и влаги, которые поддерживают существование разнообразных живых организмов, что является основой формирования почвенного плодородия. В процессе адсорбции органических и минеральных коллоидов при совмещении разнородных отходов (например, навоза и фосфогипса и т.д.), активизируется ряд ферментов (уреаза и др.), усиливающих биохимические процессы в сложных компостах (Белюченко и др., 2010 г; Попок и др., 2010; Белюченко, 2011 в). Представляя комплексную систему, сложные компосты объединяют в процессе формирования из разнородных составляющих органического (осадки бытовых стоков, навоз КРС, свиней, куриный помет, отходы растительности после уборки и др.) и минерального (фосфогипс, сильвинит, галит, зола) происхождения, обладающих определенными силами поверхностного натяжения, которые проявляются на границах различных коллоидов. Благодаря проявлению таких взаимоотношений между различными компонентами сложные компосты способны поддерживать многие соединения, формирующиеся за период их образования из осадков и пыли, а также в результате полива и т.д. (Белюченко и др., 2010 т). Основная часть инфильтрата обогащает верхний слой сложного компоста, который накапливает коллоиды, а также растворимые соединения, составляющие основу обмена ряда веществ на поверхности формирующихся тонкодисперсных частиц. Возникновение сорбционной активности при формировании сложных компостов не всегда проявляется, поскольку компостируемый материал иногда неудачно сочетается при смешении их составляющих (Белюченко, Бережная, 2012). Сорбционная активность сложных компостов проявляется не только в механическом или химическом поглощении поступивших органических и минеральных соединений, но и в накоплении популяций живых организмов на поверхности органоминеральных коллоидов. Значение этой особенности сложных компостов нельзя недооценивать, поскольку многие из живых организмов не только не 248 наращивают свои популяции, но и не участвуют в формировании их сообществ. Сорбционная активность микроорганизмов (прокариот и эукариот, а также одноклеточных водорослей) в сложных компостах благоприятствует развитию определенной направленности биологических процессов, активируемых при их попадании в верхний слой почвы (Kurakov et al., 1994; Белюченко, Никифоренко, 2012; Белюченко, Мустафаев, 2013). Внесение сложного компоста в верхний слой почвы целесообразно осуществлять в фазе его полной «спелости», когда он достигает своего пика по соотношению органических и минеральных веществ, а также уровня развития биологических систем. Раннее внесение сложного компоста будет способствовать выход ряда элементов из почвы для его формирования, а при позднем внесении он не всегда сможет поддерживать мощность верхнего слоя почвы. Иными словами, индикация стадий состояния сложного компоста имеет важное значение и требует внимания к его температуре и влажности, солевому режиму, плотности, аэрации и т.д. Эти и другие физические и химические свойства сложных компостов, несущие определенную информацию в верхний слой почвы, могут ускорять или тормозить развитие в ней тех или иных процессов (Белюченко, 2006). Определенный интерес представляет системная роль сложных компостов, проходящих такие важные процессы, как трансформация составляющих в них веществ, прежде всего за счет химических и биохимических реакций. Сюда следует отнести преобразование чисто минеральной составляющей сложного компоста (мел, фосфогипс, галиты, сильвиниты и т.д.), а также преобразование в результате разложения органических составляющих выделяющихся газов (NH3 СН4 и СО2 в навозе, курином помете и т.д.), отличающихся хорошей растворимостью. К этой проблеме следует отнести также защитную функцию процессов гниения и выделения СО2 и других газов, которыми обогащается биосфера, что предохраняет уход газообразных соединений в атмосферу, потерю элементов питания с аэрируемой влагой территории и т.д. (Белюченко, 2002). Взаимодействие различных компонентов в сложном компосте, его готовность и внесение в верхний слой почвы является для последней весьма важным условием поддержания и повышения плодородия и в целом улучшения развития почвенного покрова и рас249 тительных систем. Масштабы образования многих органических отходов и трансформация их развития стали сопоставимыми с формированием детритной стадии развития сообществ. В связи с этим большое значение имеют проблемы формирования сложного компоста в их взаимодействии с населяющими живыми организмами; совмещение их с минеральными отходами существенно улучшает в целом гранулометрический и валовый состав, а также сокращает расходную составляющую (Белюченко, Бережная, 2012; Белюченко, Никифоренко, 2012). Завершая анализ обсуждения этого раздела, необходимо подчеркнуть, что для сложных компостов в целом характерна широкая полифункциональность в отличие от минеральных удобрений (сухих или жидких); в их функционировании проявляется широкий спектр физических, химических и биологических взаимодействий, существенно усложненных по сравнению с упрощенными характеристиками отдельно взятых химических удобрений (Белюченко и др., 2010о; Белюченко, Никифоренко, 2012). Уникальность сложных компостных систем. Как самая сложная природная система суши почва является многокомпонентным и многофункциональным образованием (атмо-, гидро-, био-, литосферы), определяющим взаимодействие между всеми еѐ составляющими. Располагаясь в верхней части литосферы (в твердофазной литосферной фазе), почва одновременно является каркасом весьма специфичной системы и очень важным структурным образованием. Жидкие и газообразные продукты, выделяющиеся из формирующихся многокомпонентных веществ отходов, накапливающиеся в составе сложного компоста, постепенно меняют свой химический состав и превращают его в материнскую породу, которая постепенно становится относительно самостоятельной системой, с одной стороны, и глубоко входит в подсистемы биосферных оболочек – атмосферу, литосферу и других составляющих экосферы, с другой (Белюченко и др., 2010 п, у). Сложный компост, внешне схожий с почвой (по составным частям, его структуре и т.д.), тем не менее отличается от неѐ составом (в 4-5 раз больше содержит органического вещества, заметно большую концентрацию макро- и микроэлементов, лучше сохраняет влагу, имеет более высокий уровень минеральных и органических коллоидов, заметно отличается уров- 250 нем физических и химические характеристик и т.д.), агрономическими и другими свойствами. Совмещение сложного компоста и почвы в соотношении 1:100 повышает в последней содержание в верхнем слое органического вещества более чем на 0,5-0,6%, а продолжительность его сохранения повышается на 25-30%. Сложный компост усиливает агрономические свойства в основном верхнего слоя почвы в течение 5-6 лет при заметном улучшении использования растениями элементов питания, улучшении их экологических и биологических характеристик, способствует сокращению непроизводительных расходов основных составляющих. Функции почв (атмосферные, биосферные, гидросферные и литосферные) с внесением сложного компоста существенно трансформируются, активизируются их составляющие и заметно улучшаются качественно (Мельник и др., 2011; Белюченко, 2012 в; Белюченко, Никифоренко, 2012). Иными словами, с внесением сложного компоста в верхнем слое почвы улучшаются вещественные, информационные, структурные, энергетические и химические связи. Под влиянием сложного компоста вещественные составляющие в почве вызывают образование новых соединений, преобразующих химический состав, включая органическое вещество (гумус, подстилка), различные органоминеральные соединения, выделяющиеся физическими, физико-химическими и химическими свойствами (хелаты, новообразованные гумусовые соединения), видоизмененные минералы, легкорастворимые соли, карбонаты, илы, тонкая пыль, гипс, дисперсные фракции кремния, глины, а также осадки и отложения сложных соединений и т.д. Сложный компост, даже самый «сложный», не имеет конкретного научного определения. Безусловно, что в отличие от отходов отдельного производства или ряда производств, каждый из которых имеет определенный физический и химический состав антропогенного происхождения, не имея ни возраста, ни продолжительности развития (Белюченко, Бережная, 2012; Белюченко, Никифоренко, 2012). Отходы минерального происхождения практически не отличаются, по крайней мере, на первых порах, внешними особенностями воздействия (фосфогипс, известняковая мука, зола, отходы калийного производства), что указывает на отсутствие между ними функциональных связей. На отходы органического происхож251 дения воздействуют прямые внешние факторы (временной период, осадки, температура, семена растений и т.д.), и у них более четко проявляются функциональные связи (Белюченко и др., 2010). Различные виды отходов с годами постепенно формируют функциональные связи между собой, а также между компонентами биосферы – водой, воздухом, растительностью и т.д. Такие свойства сложных компостов явились основой для разграничения взаимосвязей различных отходов с точки зрения их экологической роли, динамики физического, химического и эколого-биологического развития и становления в качестве своеобразных включений в общую систему формирования (Белюченко, 2012 в). Многие отходы являются продуктом газообразного выброса и сброса жидкого или твердого состава в результате переработки какого-либо природного сырья, приобретающего совершенно новое качество и, как правило, не имеющего никакой связи с составляющими биосферы. У многих минеральных отходов нет определенной физической структуры и четких характеристик (гранулометрии, определенных параметров водного режима и т.д.), отсутствуют устоявшиеся химические и биологические свойства и взаимодействия с высшими растениями и животным миром. Естественно, что в минеральных отходах нет организованных сообществ, объединяющих прокариотые и эукариотые колонии, отсутствуют реально возможности жизнеобитания животных организмов. Первая особенность любого минерального отхода – это полная невозможность жизни при отсутствии реальных экологических ниш (Белюченко 2013 д; Белюченко, Мустафаев, 2013) Чем раньше мы решим проблему формы использования сложных компостов, тем яснее обозначатся конкретные направления воссоздания динамичных систем в составе верхнего слоя почвы на основе развития химических и биологических процессов. Включением одних отходов при смешивании с другими добьемся более раннего их созревания в сложном компосте прежде всего за счет химико-биологических процессов и их вовлечения в развитие весьма сложных взаимосвязей, определяющих перспективу их подготовки и последующего использования в сельскохозяйственном производстве в качестве мелиорантов для улучшения различных почв и в первую очередь их верхнего покрова. 252 Основными условиями, влияющими на формирование сложных компостов, является влага и тепло, усиливающие возможности сближения составляющих химико-биологических основ. По мере развития отдельных форм отношений между различными отходами сложный компост начинает приобретать черты сходства с верхним слоем почвы, использующим в качестве основного источника энергии солнце. Важная часть солнечной радиации используется на повышение температуры сложного компоста, испарение его воды, развитие и жизнеобеспечение живых организмов, на другие процессы, включая распад горной породы и разложение органического вещества (Белюченко, Никифоренко, 2012). Скорость почвообразовательного процесса в сложном компосте (механические аспекты агрегации, химические реакции и т.д.) при смешивании различных отходов существенно повышается благодаря их активности: усиливаются внутренние процессы выветривания, идет развитие явления гумификации (при наличии неразложившихся органических остатков), повышается активность агрегирования коллоидов минеральных и органических ресурсов отдельных составляющих нового образования. В процессе такого развития улучшается структура сложного компоста, его химическая и биологическая активность, а также формируется его физическая устойчивость. Важным условием трансформации сложного компоста в его развитии по типу почвообразовательного процесса является вода, поступающая в основном из атмосферных осадков (Белюченко, 2009). Сложные компосты лучше сохраняют в своем составе воду, полученную в техническом процессе, а также воду дождей, и они, по сути постоянно сохраняют влагу, способствуют жизнедеятельности населяющих их организмов и регулируют этот обмен. В сложном компосте вода способствует развитию миграции различных веществ и отдельных элементов через обмен между солями простых растворов с последующим усилением их коллоидального состава. Постепенно взаимообмен в сложном компосте от простых реакций, идущих в жидкой среде, переходит на участие в этих реакциях комплексных жидких и твердых фаз, а затем и газообразных веществ. Именно наличие в сложном компосте влаги и минеральных коллоидов содействует медленному развитию в них окислительновосстановительных процессов. Высокая влажность органических 253 отходов (навоз, куриный помет, отходы свекловичного производства, осадки сточных вод и др.) служат основой восстановительных условий в сложном компосте, особенно в нижней части размещения буртов, сдерживая развитие перегноя (Белюченко, Мельник, 2010; Белюченко, Петренко, 2012; Мельник, Ткаченко, 2013). Наличие органических и минеральных веществ в отходах, формирующих сложный компост, определяет емкость их теплообеспеченности, а также влияет на испарение и в целом на водный обмен. Влияние тепла и влаги определяет коэффициент увлажнения сложного компоста с учетом количества осадков и их испаряемости за определенный период времени. Водный режим сложных компостов связан с их водообеспеченностью. Важной особенностью развития сложных компостов является сезонная динамика климатических условий, особенно тепла и влаги, с чем связаны процессы трансформации отходов (их ускорение или торможение) и усиления их биологической активности. Состав органических и минеральных растворов в сложном компосте, их передвижение во всей толще бурта, особенно в вертикальном профиле, зависит от климатических особенностей сезонов года и варьирования скорости энергетического обеспечения трансформации минерального вещества. Большое значение в процессах новообразования отдельных форм гумуса имеют минеральные коллоиды (Белюченко, 2013 а). Развитие сложных компостов невозможно без функционирования живых организмов, избирательно использующих нужные им элементы из состава отходов и потому служащих важным условием переработки самих отходов. Кроме того, например, дождевые черви, жуки и другие «трудяги» служат переносчиками различных частей растений и отмерших животных и тем самым усиливают физические и химические преобразования сложного компоста (Белюченко, Никифоренко, 2012; Горчакова, Белюченко, 2012). Органические вещества сложного компоста, имеющие в начальный период компостирования относительно небольшие популяции живых организмов – микроорганизмов и животных, минерализуются сравнительно мало, и его основная часть трансформируется по направлению гумификации. Примерно седьмая-десятая части органического вещества минерализуется (10-15%) и используется для развития микроорганизмов, другая часть (примерно 10-15%) 254 используется на питание животных (червей, жуков) и третья часть – до 70% - гумифицируется и закрепляется минеральной частью сложного компоста, трансформация которого будет зависеть от процессов миграции живых организмов, перемешивания его состава механическим способом, развития микробного населения и т.д. Переработка сложного компоста будет зависеть в значительной степени от химического состава отдельных отходов и времени их сбора. Преобладание в сложном компосте легко перерабатываемых структур ускоряет разложение, а при наличии лигнина и других сложных веществ разложение таких материалов затягивается. Поступление различных отходов в позднеосенний и зимний периоды сдерживает их распад, и значительная их часть заметно теряет ценность. Желательно буртование таких отходов производить за счет расширения площадки складирования (до 6-8 м) и увеличения высоты (до 3-4 м), размещая бурты между двумя стогами соломы; в летний период распад проходит быстрей и потому ценность сложного компоста повышается. Избирательная способность живых организмов использовать отдельные вещества и соединения в сложном компосте составляет основу переработки материалов различного происхождения и их гумификацию. Важной частью отходов является органический углерод и азот и соотношение C:N. Высокое содержание в отходах микроорганизмов при промывном режиме приводит к накоплению и других элементов – фосфора, калия, серы, кальция и т.д. Условия среды и биологические особенности, складывающиеся со временем в слоях сложного компоста, превращают его в своеобразный перегной с гумификацией основной его части. Если отходы не компостировать, они превратятся в бесполезную труху и их ценная часть выветрится, азот уйдет частично в воздух, а частично в грунтовые воды. Сложный компост – новое экологическое образование. На 80-90% и больше почва состоит из минеральных соединений, а хорошо подготовленный компост может содержать органического вещества до 20%. Сложный компост наследует черты почвы только в случае правильной системы развития в нем биологических процессов. Наилучшим образом подготовка сложного компоста проходит в черноземе обыкновенном в степной зоне нашего края. Высота бурта сложного компоста и его ширина по мере увеличения объема серь- 255 езно влияют на его водоудерживающую способность и снижает физическое и химическое выветривание (Belyuechenko, 2014). Процессы, происходящие в сложном компосте по мере его развития, определяют выделение углекислого газа, оксидов азота, метана и других газов, оказывают существенное влияние на формирование приземного слоя атмосферы, а выделение молекулярного азота при параллельном воздействии фосфогипсом и раствором серной кислоты ослабляет его воздействие на озоновый слой. Важное влияние оказывает сложный компост на состав гидросферы, в частности на грунтовые воды и на загрязнение биогенами поверхностных вод. В определенной степени в процессе своего развития сложный компост можно соотнести с понятием биокосным образованием, поскольку в нем объединяется функционирование живого и неживого вещества, в то время как большинство отдельных отходов такими свойствами не обладают. Биосистема органических веществ в сложном компосте выделяется также рядом специфических особенностей, которые не имеют аналогов. Важнейшей характеристикой биокосных систем, с которыми встречаются сложные компосты, является их способность обеспечивать жизнеспособность различных организмов – от низших по организации до высших. Сложные компосты в этом плане аналогичны почве, которая сама по себе многообразна и предоставляет значительное число экологических ниш, освоенных биотой – от микроорганизмов и до высших растений, последовательно повторяя особенности почвенного покрова. Основное отличие сложного компоста – это высокопродуктивность биокосной системы, способной значительный период времени (в течение 5-6 лет) поддерживать в верхнем слое почвы систему высокого жизнеобеспечения различных организмов. Органические отходы отличаются обычно однотипным строением, что существенно отличает их от минеральных систем. Поэтому органические отходы имеют меньшую продолжительность существования в качестве биокосной системы и этим отличаются от других образований аналогичного типа. Составной частью формирования сложного компоста является процедура развития органического комплекса – перегноя, способствующего образованию глинистоперегнойных комплексов. Органические отходы являются важным 256 субстратом обогащения сложного компоста в основном органическим углеродом, определяющим его энергетическую сторону. Сложные компосты за счет происходящей в них минерализации растительных остатков являются важным источником поступления в атмосферу умеренного количества по сравнению с органическими отходами (например, навоз, куриный помет и др.) углекислого газа, изменяющего газовый состав атмосферы. Включение органических отходов в сложный компост изменяет развитие биогеохимического цикла углерода и приводит к изменению содержания последнего в атмосфере (его увеличению или уменьшению). Внесение сложных компостов в верхний слой почвы оказывает сильное влияние на регулирование также других биологических циклов, особенно азота, варьирует его соотношение с углеродом C:N (Белюченко, 2011а). Минеральные отходы в сложном компосте изменяются слабо, особенно в течение первого года, и их участие в биохимических циклах усиливается при перемешивании с органическими материалами. Компоновка минеральных веществ с органическими должна учитывать их совместимость: физическую, химическую, а также биологическую, что обеспечит их трансформацию в сложном компосте, который по своим признакам и свойствам будет гораздло качественнее отдельных составляющих (Белюченко, Бережная, 2012). В общем сложный компост представляет собой особый мелиорант для почвенного покрова суши в самом широком понимании территориальной специфической оболочки, перекрывающей верхний слой почвы и формирующей новую экологическую среду, рассматриваемую как новый этап в реальном омоложении сельскохозяйственных земель на весьма продолжительный срок (5-6 лет). Сложный компост формируется в результате экзогенного природного процесса и является весьма молодым, ориентированным, вопервых, на многолетнее улучшение почвенного покрова, и вовторых, на улучшение еѐ физических, химических и биологических свойств (Белюченко и др., 1999). Структура, формирующаяся в верхнем слое почвы под влиянием внесения в него сложных компостов, расширяет, во-первых, экологические условия для развития макро-, мезо- и микробиоты с расширением в еѐ ППК состава растворенных веществ, а также варьированием температуры и влажности, а с другой, организацией еѐ твердой фазы. Это обусловливает весьма специфическую среду, 257 отличающуюся от начальных этапов формирования, с более высокой пористостью, газовыми и водными свойствами, что существенно расширяет благоприятный вариант сложного компоста с учѐтом условий обитания различных живых организмов (Белюченко, Никифоренко, 2012). Энергетические свойства почв, характеризующие еѐ верхние слои, представляют с внесением сложных компостов неравновесные системы, которые взаимодействуют с условиями нижних слоев атмосферы и постепенно приобретают динамическое равновесие открытой системы, существенно обогащая почву свободной энергией через увеличение содержания органических веществ, более экономное расходование тонкодисперсных минеральных и органических коллоидных соединений с высокой удельной энергетической поверхностью. С внесением сложного компоста почва существенно активизируется и расширяет пространство своих экологических ниш для улучшения условий развития живых организмов. С внесением сложного компоста в почву активизируются еѐ информационные функции, образуются новые соединения, меняется состав и их свойства, а также расширяется многообразие их структур через появление новых экологических ниш. При развитии верхнего слоя почвы после внесения сложного компоста за счѐт расширения обмена с внешней средой формируются новые экологические ниши. В развитии почвы при внесении сложного компоста усиливаются внутренние процессы в составе, структуре и свойствах твердой фазы в еѐ верхних слоях и постепенно формируется новый тип информационной памяти о взаимодействии с атмосферой и гидросферой и почвенной геохимией (Белюченко и др., 2002). С внесением сложного компоста в соотношении от 1:20 и даже 1:40 верхний слой почвенного покрова трансформируется в двух направлениях, существенно влияющих на привнос веществ в нижние слои и процессы биогенного накопления органических и минеральных веществ и элементов минерального питания растений в живой и мертвой биомассе опада и поддержания их уровня в почве. Во влажных условиях в поток элементов питания включаются больше вносимых со сложным компостом веществ – от легкорастворимых солей, сульфатов и карбонатов до коллоидов кремния и железа, суспензий пылеватых и илистых частиц. Элювиальному выносу частиц из верхней зоны способствует водоудерживающая способность почвы и внутренние геохимические барьеры в твердой фа258 зе (сорбционные, щелочно-кислотные и др.), а также и механизмы перехвата элементов питания растений из растворов корневыми системами, в основном N, P, K, S и ряда микроэлементов (Белюченко и др., 2007 д; Белюченко, 2008). Иными словами, в верхний слой почвы вносится хорошо подготовленный субстрат, именуемый сложным компостом, повышающий буферность и выполняющий важную роль в поддержании устойчивости почвы к техногенному воздействию через растительные отходы (подстилка). Насыщенная полуторными окислами минеральная составляющая сложного компоста формирует с использованием растительных отходов гумусово-минеральный блок в верхнем слое почвы. Стабильность почвенного покрова с внесением сложного компоста сохраняется до 5-6 лет, улучшая функционирование ландшафта с учетом многовариантности рельефа, биологического разнообразия и их динамических связей, а повышение буферности в целом всей системы происходит на основе усиления глинистогумусового комплекса, совершенствования системы органоминеральных коллоидов, сдерживания загрязнения тяжелыми металлами и нефтью, устойчивости еѐ окислительно-восстановительной системы (Белюченко и др., 2009б; Белюченко и др., 2012 г). Способы борьбы с загрязнением и принципы самоочистки почвы. При трансформации отдельных отходов образуются весьма опасные вещества с большой токсичностью. Чтобы не допустить такого состояния, необходимо вести постоянный мониторинг за процессами преобразования отдельных отходов, особенно их химического состава. Желательно, чтобы в группе исследователей сложных компостов были биологи и химики–органики, способные создать банк живых организмов и субстратов для конкретной зоны с возможными изменениями их состава и оценкой развития для предупреждения возможной опасности их для человека и животных. Важное значение имеет контроль детоксикации различных загрязнителей, включая тяжелые металлы, нефтяные загрязнения и др. При трансформации загрязнителей роль микроорганизмов в экосистемах основная. Важная функция сложных компостов определяется работой микроорганизмов при их участии в круговороте отдельных элементов – углерода, азота, серы, фосфора и других (Муравьев и др., 2008 г; Петренко и др., 2012). В нашей стране и за рубежом находят применение биологические методы обезвреживания отходов. Компостирование является 259 одним из примеров биологического метода утилизации отходов. В его основе лежит способность различных групп живых организмов в процессе своей жизнедеятельности разлагать и усваивать из сложных компостов многие питательные вещества, ускоряя при этом нейтрализацию органических токсикантов, тяжелых металлов, создавая запас азотных и фосфорных соединений. Процесс биодеградации происходит с заметной скоростью при оптимальной температуре и влажности субстрата. Немаловажное значение имеет также рН среды. Условия с нейтральной реакцией среды являются идеальными для биоразложения. Перемешивание различных смесей способствует активизации в них микробиологических процессов. Современное предприятие должно заботиться не только о качестве получаемой продукции, но и стремиться к системному управлению отходами своей деятельности (готовой продукцией и отходами). Особенно важна переработка отходов химической промышленности и тех отраслей, которые потребляют огромные количества сырья, существенно превышая по массе основной продукт (например, производство суперфосфата и его отхода фосфогипса). Так, фосфорперерабатывающая промышленность на одну тонну продукции суперфосфата, и далеко не чистой, производит до 4,5 т отходов. Несколько меньшее соотношение характерно для калийного производства (Белюченко и др., 2009 б; Белюченко, 2014 б). Начиная с 90-х годов ХХ века экономика обратила внимание на отходы как на вторичное сырье. Многие промышленные отходы, включая металлургию, химическое производство и т.д., сами по себе и их компоненты могут быть эффективно использованы. Можно обратить внимание на то, что, например, при вторичной эксплуатации различных шлаков и отходов подобные продукты меньше испытывают биологическое разрушение (долго не формируются колонии плесневых грибов, не поселяются лишайники и т.д.). Эти и другие свойства позволяют их использовать и для сельскохозяйственного производства – строительство силосных ям, сточных желобов для слива жидких удобрений, кормушек для скота и т.д. (Белюченко и др., 2008г). Внесение сложных компостов является необходимым условием самоочистки почвы. Среда с нейтральной реакцией является идеальной для расширения экологических ниш живых организмов и ускорения их биоочистки. Интродукция специально подобранных микроорганизмов способна создать благоприятные условия для 260 процессов биотрансформации и разложения различных отходов. Разрабатываются анаэробные технологии переработки отходов животноводства. Полученные результаты указывают на эффективность применения биотехнологий, особенно микробиологических методов использования различных вариантов отходов при их компостировании (Муравьев, Белюченко, 2008 б; Белюченко, 2014 б). При формировании и созревании сложного компоста важная роль в поддержании его устойчивости безусловно принадлежит живым организмам, роль которых существенно превосходит их значение в почве. В сложных компостах уровень метаболизма живых организмов значительно выше, чем в других условиях среды. Большое значение имеет определение времени достижения максимума числа видов и обилия популяций живых организмов в сложном компосте, и через этот показатель определяются сроки его внесения в верхний слой почвы. Значительную часть биомассы сложного компоста составляют живые организмы (бактерии, микроскопические грибы, водоросли, простейшие и др.), населяющие в основном верхний слой почвы. Степень обилия популяций микроорганизмов в сложных компостах и верхнем слое почвы определяется соотношением в них органических и минеральных материалов, в целом питательных веществ, а также водно-воздушным и физическим режимами обоих субстратов (Муравьев и др., 2008 а). Степень обилия живых организмов в сложных компостах к середине их созревания заметно превосходит их почвенный пул, поскольку количество органического вещества в нѐм существенно превышает таковое в верхнем слое почвы в 4-5 раз. Живые микроорганизмы в почве и сложных компостах превосходят растения и животных по биогеохимической и физиологической активности, что объясняется более высокой интенсивностью метаболизма и отношением поверхности к объему (например, интенсивность дыхания аэробных бактерий на 1 г биомассы в сотни раз выше, чем у человека, а в верхнем слое на 1 га плодородной почвы оно равноценно метаболизму тысяч людей). Микроорганизмы широко используют большое число элементов в структуре своего тела, для них свойственны до восьми типов питания различными соединениями, которые недоступны высшим таксонам, у которых всего 2 типа питания. У низших организмов границы освоения жизни значительно шире, чем у высших; они способны функционировать в весьма значительных пределах температур от –13 до +110оС, при осмотиче261 ском давлении от бидистиллята до концентрированных солевых растворов, при рН от 1 до 13 и т.д.; при благоприятных условиях они отличаются высокой скоростью размножения и за весьма короткий срок. Численность живых организмов в сложном компосте по сравнению с воздухом, водой и почвой значительно выше (в 1 г сложного компоста количество клеток достигает нескольких миллиардов, а длина гиф грибов достигает тысячи метров, общая биомасса живых организмов достигает 2-3 десятков тысяч тонн в расчете на 1 га). Круговорот всех зольных элементов, а также органического углерода и азота проходит через всю систему сложного компоста, в котором отношение С:N в обогащенной почве превышает 20:1, что указывает на его значительную обеспеченность азотом. Аналогичная зависимость просматривается в хорошо подготовленном сложном компосте (Белюченко, 2010). Живые организмы сложных компостов и верхнего слоя почвы, использующие в качестве источника энергии и питания органический углерод, служат основными трансформаторами органического вещества, а их биомасса является важным источником его накопления в почве. Живые организмы переводят сложные соединения в более простые, которые частично используются повторно, но в основном через химические и физические процессы, и вместе с микробными метаболитами стабилизируют органические основы верхнего слоя почвы. Использование различных отходов в форме сложного компоста путем разумного сочетания минеральных и органических веществ, различающихся кислотными и щелочными свойствами, способствует распаду токсичных соединений (например, влияние серной кислоты на распад ПАВов, нефтяных отходов, перевод ТМ в труднодоступные формы через осаждение полуторными окислами и т.д.), что усиливает самоочищающую способность почвы. Невозможность самоочищения почвы в связи с еѐ перегрузкой поллютантами, например, тяжелыми металлами, нефтяными загрязнениями, без применения сложных компостов превращает их в техногенные пустыни. Иными словами, непродуманная Программа улучшения почв является одной из основных причин низкой эффективности предложенных мероприятий и пустой тратой времени и средств (Белюченко, 2011 г). Себестоимость сложного компоста с учетом компоновки различных по качеству и количеству веществ из отходов разных произ262 водств в принципе будет весьма незначительной, поскольку сырье для его производства является отходом и само по себе объективно ничего не стоит, а расходы на их производство, транспортировку, размещение и хранение входит в себестоимость материала и оплачивается его потребителями. Примерно так утверждалось на Белореченском химзаводе. Однако после исследований кафедры общей биологии и экологии КубГАУ, доказавших перспективу использования фосфогипса в системе сложного компоста, участились запросы отдельных производств на приобретение фосфогипса для его исследования с различными целями, и завод поднял цену с 10 коп до 50 руб за тонну, не считая того, что завод с потребителя уже получил оплату за основную продукцию. Завод поднял цену произвольно, решив увеличить свой доход. Кубанским агроуниверситетом предложена технология создания сложных компостов с участием фосфогипса. Но какова роль завода в этом исследовании – трудно определить. Завод вместо совершенствования использования фосфогипса в системе сложного компоста поднял цену на отход и вместо борьбы с отходами решил получить выгоду на интересе других хозяйств и на том огромном ущербе, который был нанесен и наносит отвалами своих отходов окружающей среде, по крайней мере, в десятках км в округе. С отходами надо бороться совместными усилиями производства и науки, чтобы сохранить здоровой и окружающую среду, и условия для жизни населения (Петренко, Белюченко, 2012; Попок, Белюченко, 2013). Трансформация отходов, как форма образования сложных компостов. Отходы всех производств, включая бытовые, являются гетерогенными дисперсными образованиями, состоящими из двух и большего числа фаз с развитой поверхностью. Дисперсные системы отходов, включая их истинные растворы (ионные, молекулярноионные и молекулярные), разделяются на тонкодисперсные коллоидные (золи, гели), грубодисперсные системы (частицы больше 100 нм) и взвеси (эмульсии, суспензии, аэрозоли). По равновесности и устойчивости дисперсные системы отходов делятся на лиофильные и лиофобные: первые термодинамически равновесны и высокодисперсны, формируются на основе отходов при производстве продукции из природного сырья, вторые – термодинамически неравновесны и обладают большей свободной поверхностной энергией. В определенных условиях при смешивании отходов лиофильных и лиофобных систем происходит их коагуляция на основе 263 сближения частиц, сохраняющих первоначальные формы и размеры и объединяющихся в плотные агрегаты. Нестабилизированные и неустойчивые лиофобные системы отходов непрерывно изменяют свой дисперсный состав в сторону упрочнения частиц, вплоть до полного расслоения их на микроагрегаты. Стабилизированные лиофильные системы сохраняют свою дисперсность в течение длительного времени. Гидрофобные коагуляции различных отходов отличаются расслоением весьма сложной дисперсной системы на жидкую и твердую фазы. Способность коллоидных частиц в растворе к структурообразованию и формированию разнообразных агрегатов (например, фосфогипс слипается с органическими полуперепревшими отходами КРС, свиней и другими), заполняющих весь объем раствора, приводит к образованию агрегатных вариантов сложного компоста. Многие сложные компосты включают органические растворы, а также водные растворы кислотных солей, и потому весьма важно изучение идущих в них химических реакций с нарушением равновесия, указывающих на специфику их систем (гетерогенные или гомогенные) (Муравьев и др., 2008 в). По мере созревания сложного компоста многие вещества разных отходов вступают в контакт и между ними происходят химические реакции с образованием новых соединений. В случае отсутствия видимого взаимодействия из различных веществ формируется механическая смесь, которая в дальнейшем при изменении условий (реакция среды и др.) может трансформироваться через усиление взаимосвязей в химическую. Важное значение в этой ситуации имеют водные растворы, где идут сложные химические процессы. В растворе проявляются физические (диффузия, непостоянство состава) и химические свойства (неустойчивость соединений), а гидратационные свойства способствуют появлению различных форм связанной воды. Коллоидные дисперсные системы отдельных отходов в сложном компосте формируют различные комбинации дисперсионной среды и дисперсной фазы. Особенности состава и свойств им придают мелкие размеры и большая поверхность коллоидных частиц. В сложном компосте при компоновке 8-10 отходов и периодическом их перемешивании чаще образуются гели, представляющие собой рыхлый осадок. В сложных компостах велика роль и золей, основу 264 которых составляют сообщества в основном живых организмов, в частности бактерий, грибов и одноклеточных водорослей. Удачно скомпонованный по составу набор отходов для формирования сложного компоста при внесении в почву насыщает еѐ ионами кальция, недостаток которых, особенно в доступной для растений форме, ощущается практически во всех почвах. Являясь поглощающим катионом, кальций сложного компоста придает почвам свойства, наиболее благоприятные в сельскохозяйственном отношении. Он является важным компонентом почвеннопоглощающего комплекса, и на его долю приходится до 60-70% катионообменной емкости сложного компоста. Благодаря высокому насыщению обменным кальцием сложный компост обладает хорошей агрономической структурой, физическими и биологическими свойствами, что существенно повышает плодородие почвы при его внесении, и, что особенно важно, насыщение сложного компоста катионами кальция в почве поддерживается достаточно долго (по нашим исследованиям до 5-6 лет) до резкого снижения доступных форм. При этом формируются устойчивые экологические ниши, существенно расширяющие возможности обитания в почвенном покрове живых организмов и усиливающие развитие растительных организмов (Белюченко, 2014 а). С поступлением в сложный компост в разумных количествах свежих растительных остатков или минеральных отходов (типа мела, фосфогипса и др.) живые организмы и другие живые системы начиняют их трансформировать с выходом всех составляющих на равновесный уровень. Этот процесс протекает особенно активно, если в отдельных участках сложного компоста включаются различные по видовому составу и экологическим функциям сообщества живых организмов, способных трансформировать поступающие в них дополнительные вещества. Чем разнообразнее набор живых организмов в сложном компосте, тем больше его способность трансформировать поступающие в него разнообразные отходы, особенно органические. Если биохимические процессы в сложном компосте дублируются несколькими видами живых организмов, то их увеличивающийся запас будет способствовать выполнению важных функций в складывающейся системе (Белюченко, Мустафаев, 2013). Основной функцией живых организмов (бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли, почвенные животные) в сложном компосте является разрушение поступавших в него труднорастворимых орга265 нических веществ. Именно конкретная роль отдельных организмов в трансформации веществ в сложном компосте нуждается в серьезном исследовании. В последние 20-30 лет в отходы поступают десятки специфических веществ (нефть и пластмасса, тяжелые металлы, гербициды, пыль, сажа, газовые выбросы и т.д.), и задача в организации сложных компостов состоит в таком их сочетании, которое будет способствовать созданию благоприятных условий для верхнего слоя почвы, куда эти смеси будут внесены. Трансформировать эти отходы с наименьшими затратами для нормального функционирования почвы и внесенного в неѐ комплекса различных веществ является важной проблемой при одновременном поступлении и выведении негативных элементов (Петренко, Белюченко, 2012; Петренко и др., 2012). Убедительным примером улучшения развития растительных организмов и расширения экологических ниш почвы является усиление базального кущения пшеницы (на 20-25%) и других культур (кукуруза, ячмень), заключающееся в образовании дочерних побегов. Удлиняется период развития кукурузы, что выражается в формировании еѐ базальной зоны, увеличении количества укороченных узлов и развитии в их составе придаточных и боковых корней. Повышается продуктивность сахарной свеклы, прежде всего масса еѐ корнеплодов. Внесение сложных компостов способствует более экономному расходованию питательных веществ почвы, включая минеральные и органические составляющие. Иными словами, сложение различных вариантов дисперсно-коллоидных образований отдельных отходов и их благоприятная компоновка в сложном компосте сказываются на улучшении агрономических свойств почвы через существенное увеличение числа экологических ниш и их расширение, что, безусловно, требует серьезного изучения взаимоотношений растений и верхнего слоя почвы на начальном этапе их развития (Муравьев, Белюченко, 2008 а, в, г; Белюченко, 2014 а). Разнообразие экологических ниш определяется разным использованием растениями среды обитания, размещением их органов в почве и воздухе, ритмами сезонного развития, длительностью периода вегетации, особенно плодоношения, взаимосвязями с элементами абиотической среды и т.д. Различные культуры в агроландшафте по-разному осваивают и преобразуют энергию, и потому можно сказать, что каждый вид растения имеет свою экологическую нишу; в процессе онтогенеза растения еѐ меняют и активнее преоб266 разуют среду. Стареющие растения снижают напряженность фитогенного поля и свою средообразующую роль, а также продукционные процессы. На обилие экологических ниш серьезное влияние оказывают условия среды, которые мы существенно улучшаем внесением комплекса соединений в виде сложного компоста, а также сам вид, являющийся ресурсом для других таксонов (Kurakov et al, 1994; Славгородская, 2013 б; Мустафаев и др., 2013; Белюченко, 2014 в). В основе взаимоотношений растительности и почвы в агросистеме лежат еѐ требования к комплексу абиотических и биотических условий среды, т.е. экологическая ниша, определяющая функциональное участие вида в составе агросистемы с учетом его физического пространства и места в системе связей. Экологическая ниша культуры в севообороте зависит от того, какова еѐ роль в преобразовании энергии и еѐ реакции на физическую, химическую и биологическую среду, насколько сдерживается еѐ развитие другими видами живых организмов и условиями среды. В наших опытах сложный компост усиливал и расширял экологическую нишу любой культуры, что нашло выражение в их развитии, особенно базальных участков. Анализируя реакцию отдельных культур в агросистеме, можно заключить, что она выразилась интегрально через варианты усиления кущения пшеницы, разрастание базальной зоны у кукурузы, усиление роста ботвы и корнеплодов у свеклы и т.д. Например, при снижении нормы высева пшеницы на 40 кг/га еѐ урожай в варианте со сложным компостом не только не снизился, но и увеличился. Сокращение количества азотных удобрений под пшеницу на 40 кг/га также не привело к снижению урожая зерна, поскольку сложный компост обеспечил расширение экологической ниши растениям пшеницы и их высокую продуктивность (Белюченко и др., 2009а; Белюченко, Мельник, 2010). При внесении под кукурузу сложный компост создал высокую обеспеченность факторами питания (микро- и макроэлементы, влажность и т.д.), что существенно улучшило развитие отдельных особей, повысило эффективность работы листового аппарата и корневых систем через увеличение их функциональной роли в агросистеме. Особенности структуры и состава сложного компоста в течение 5-6 лет функционально оказывают влияние на сохранение экологических ниш, развитие культур и их конкурентоспособность (Белюченко, 2011 в; 2014 к). 267 Роль живых организмов в стабилизации органического вещества в верхнем слое почвы. В сложном компосте, особенно в начальный период его формирования, живые организмы весьма разнообразны и отличаются большими различиями в характере обитания. Они могут и разрушить органическое вещество, и его стабилизировать. В биомассе различных микроорганизмов доля органического вещества составляет 4%, а время круговорота углерода и азота через их систему составляет около 2 лет. Микроорганизмы условно можно разделить на активные и неактивные; на активную группу приходится свыше 10%. Если в сложном компосте доля глинистой фракции значительная, то активность и защищенность микроорганизмов существенно выше и продолжительность их развития заметно удлиняется (Белюченко, Никифоренко, 2012). Разложение органического вещества в верхнем слое почвы микроорганизмами в сложном компосте зависит от продолжительности жизнедеятельности ферментов, функционирующих в основном весьма короткое время (до нескольких суток). Внеклеточные ферменты сорбируются твердой фазой, преобразуя органическое вещество вблизи их источника до 30-50 мкм. Удаление субстрата микроорганизмами от источника ферментов снижает их эффективность, и органическое вещество в связи с этим сохраняется из-за его недоступности внеклеточным ферментам микроорганизмов. В сообществе микроорганизмов в сложном компосте большое значение имеет сочетание бактерий и грибов. Это также касается соотношений углерода и азота. В сложном компосте, составленном из различных отходов, при узком соотношении С:N доминируют бактерии, а при широком соотношении – грибы. С учетом эффективности использования углерода грибы и бактерии различаются по размещению и стабилизации органического вещества в верхнем слое почвы, особенностям метаболизма и в накоплении ими биомассы. Чем выше эффективность использования углерода (нарастание биомассы), тем меньше его расходуется на дыхание, меньше уходит в форме СО2 в атмосферный воздух, тем значительнее сохранение в сложном компосте органического вещества. В случае нехватки в сложном компосте азота доля популяций микроорганизмов (грибов и бактерий) составляет около 60-70%, а при его добавлении существенно увеличивается (Белюченко, Бережная, 2012; Белюченко, Никифоренко, 2012). 268 Глинистые минералы в сложном компостах по–разному связывают метаболиты, снижают рост микроорганизмов, но не обезвоживают их клетки. Диаметр бактерий составляет от 0,15 до 4,0 мкм, а гифов грибов – от 3 до 8 мкм. Гифы грибов редко встречаются в микропорах, а бактерии их заселяют и защищаются ими от ряда хищников. Грибы по сравнению с бактериями имеют высокую защищенность от разложения из-за взаимодействия с глинистыми минералами и почвенными агрегатами. Скорость отмирания защищенной биомассы микроорганизмов в сутки составляет около 0,5%, а незащищенной – до 70%. Гифы грибов способствуют построению мостиков между внутренними и поверхностными слоями различных отходов и меньше зависят от пространственного их размещения. Мобильность бактерий в сложном компосте обусловлена органическими веществами, и они используют вещества, расположенные поблизости. Грибы выделяют различные формы пероксидаз, редуцирующих лигниновые комплексы. Бактерии продуцируют липазы и целлюлазы, столь важные для разложения нелигниновых отходов. Составной частью гуминовых новообразований являются мономеры – производные лигниновых полимеров. Достаточно прочно и дольше сохраняются в сложном компосте, а затем и в почве стенки грибных клеток, содержащие меланин и хитин. Весьма быстро метаболизируются бактериями фосфолипиды. С этим связано слабая связь аккумуляции углерода и прироста органического вещества после отмирания бактерий (Муравьев, Белюченко, 2008б; Мустафаев и др., 2013). Роль микоризных грибов в стабилизации органического углерода в сложных компостах весьма существенная. Они являются облигатными симбионтами, способствующими освоению растениями большого объема почвы, что сказывается на накоплении органического углерода в биомассе самих микоризных грибов (в них содержится до 900 кг С/га). В микоризных грибах углерод содержится также в форме гликопротеина (гломалин), устойчивого к распаду, включая их активное взаимодействие с почвенными минералами и их прямом участии в стабилизации агрегатов. Микоризные грибы через свои гифы вместе с мелкими корнями растений образуют своеобразную сеть, опутывающую и сплетающую почвенные частицы и способствующие стабилизации органического вещества в форме агрегатов. 269 Роль бактерий также велика в трансформации органического вещества. Например, автотрофная фиксация бактериями СО2 доходит до 5% от уровня дыхания почвы, и фиксированный из атмосферы углерод в основном накопливается в массе бактерий. Микроорганизмы сложных компостов, использующие в качестве источника энергии и питания органический углерод, служат основным биотическим агентом трансформации органического вещества, а их биомасса является динамическим источником обновления органического вещества почвы. Разлагая и окисляя органические субстраты, микроорганизмы редуцируют сложные соединения до более простых, которые реутилизируются или подвергаются химической и физико-химической переработке вместе с микробными метаболитами (Мустафаев и др., 2008; Белюченко, Брежная, 2012). 270 ГЛАВА 12. СЛОЖНЫЙ КОМПОСТ И ДЕТОКСИКАЦИЯ АГРОЛАНДШАФТНЫХ СИСТЕМ COMPLEX COMPOST AND DETOXICATION OF AGROLANDSCAPE SYSTEMS Toxicity complex compost arises during compiling of organomineral mixtures of various waste of life, agriculture and mineral industries. One of detoxification factors of complex compost is the ability of heavy metal cations to the formation insoluble compounds, which are fixed by clay materials and different disperse systems, and differ markedly by calcium content, acidity and humus soil-absorbing complex. Токсичность в агроландшафтных системах возникает в процессе посева многие годы отдельных культур (например, картофель, подсолнечник и т.д.). То же самое свойственно использованию одних и тех же отходов быта и сельского хозяйства в процессе продолжительного их применения. Одним из факторов детоксикации таких почв является внесение сложного компоста и его способность переводить катионы тяжелых металлов к образованию нерастворимых соединений, атсорбированных глинистыми веществами и другими дисперсными системами, заметно различающимися содержанием кальция, гумуса и кислотностью почвенно-поглощающего комплекса (Белюченко, 2014 а). В детоксикации почв широко используются сложные компосты, включающие органические отходы сельского хозяйства и быта и минеральные отходы химического производства, представляющие сырье природного происхождения. В качестве важнейших элементов детоксикации почвы является способность катионов тяжелых металлов образовывать нерастворимые соединения. В основном к почвам с такими свойствами относятся черноземы, отличающиеся высоким содержанием гумуса, кальция, щелочностью, рН почвенного раствора. Например, вымывание Zn, Cd, Ni, Pb в дерновоподзолистых почвах составляет 0,29 мг-экв/100 г почвы, а в черноземах – 0,005 мг-экв/100 г почвы. Почвенный фактор играет большое значение в определении вертикального перемещения тяжелых металлов по горизонтам. 271 Важным фактором на пути перемещения тяжелых металлов выступают так же корневые системы растений, сдерживающие большое количество ионов, что связано с совокупным действием их морфологических структур и химических реакций неспецифической природы, в основе которых лежит обменная емкость корней, концентрация солей в вакуолях растений отдельных таксонов, а также химическая инактивация их соединений. Накопление тяжелых металлов в почве вызывает определенные изменения в растениях, что связано с возникновением в них защитных механизмов, усилением антагонизма отдельных ионов и т.д. Например, превышение ПДК кадмия, свинца и никеля вызвало снижение урожая картофеля и способствовало повышению в корнеплодах содержания фосфора и калия, которые, по всей видимости, проявили антагонистические свойства. Состав загрязнителей является важным звеном в оценке устойчивости растений к тяжелым металлам, взаимодействия которых могут быть синергическими и антагонистическими. Например, между кадмием, свинцом и никелем синергизм может быть артефактом, возникающим вследствие разрушения физиологического барьера у организмов из-за избыточного воздействия тяжелых металлов. Взаимодействие элементов и их антагонизм или синергизм вызываются обеими составляющими системы «почва – растение». Кроме того, дисбаланс в системе почва – растение может способствовать загрязнению растений и снижению количества и качества их продукции. Буферность почв с учетом химических и электростатических свойств, соотношения органических веществ и глинистых комплексов, ионообменных окислительно-восстановительных, кислотных или щелочных, сорбционных особенностей меняется под действием тяжелых металлов и значительно влияет на среду обитания растений и животных (Белюченко, 2004 б). Кроме того, буферность почв по отношению к загрязнителям оценивается химическими свойствами последних, определяющими подвижность загрязнителей и способность последних вступать в ионный обмен, закрепляться в почвенных коллоидах в процессах хемосорбции, комплексообразования и осаждения. Параметры концентрации любого раствора и устойчивости к загрязнению разных типов почв зависят от содержания в них тонкодисперсных минера272 лов, их количества и качества, содержания органического вещества, уровня кислотности или щелочности, а также процессов осаждения – растворения и распределения тяжелых металлов между фазой и почвенным раствором (Белюченко, 2013 а). Кислотно-щелочные свойства почвы определяют форму нахождения в ней соединений металлов (величину и знак заряда их катионов, анионов, нейтральных частиц), прочность связи и количество удерживаемых почвой частиц; с понижением рН абсорбция катионных форм, попадающих в почву (металлы, неметаллы), возрастает например, максимум ртути удерживается почвой при рН 4,8-6,5; у анионных форм обратная зависимость – основная их часть сорбируется в слабощелочной среде, преобладают анионы в двузарядной форме. Ограничителем подвижности металлов являются влага, нейтральная реакция почвенного раствора, устойчивость гумуса в степной зоне в верхнем горизонте. В результате карбонатной аккумуляции накапливаются осадки, обогащенные стронцием и барием, а B, Ag, Mo, V, As – весьма подвижные элементы и в форме истинных растворов распределяются по всему почвенному профилю и по рельефу местности. Миграция всех элементов в сухих районах низка, и при испарении идет аккумуляция Ag, Hg, B, Mo; Mn, Fe, Cu, Mo, V подвижны в форме комплексов с органическими и минеральными веществами, а в коллоидном состоянии – в форме простых солей при щелочной реакции в засоленных почвах. Учитываются буферные свойства тяжелых металлов при переходе подвижных форм в малоподвижные за счет содержания в почве тонкодисперсных оксидов алюминия и железа, содержания и типа гумуса; с нейтрализацией рН подвижность тяжелых металлов понижается (Орлов и др., 1989). Способность почв инактивировать тяжелые металлы связывают с содержанием в почве гумуса и глины и величиной актуальной кислотности (Ильин, 1995). Буферная способность почв оценивается по емкости катионного обмена, представляющей интегральную характеристику содержания гумуса, глины и актуальной кислотности почвы. Общие вопросы детоксикации ландшафтов. Одним из факторов детоксикации ландшафтов, в частности их почв, на наш взгляд, являются сложные компосты в виде органоминеральных смесей (органические составляющие – отходы сельского хозяйства 273 и быта), минеральные – химического производства, а также зола и сырье природного происхождения. Важными факторами детоксикации сложных компостов являются способность катионов тяжелых металлов формировать нерастворимые соединения при специфической адсорбции глинистых веществ, а также особенности комплексообразования различных дисперсных систем отдельных субстратов (в первую очередь черноземов) с учетом содержания гумуса, кальция и рН почвенного раствора (Белюченко и др., 2002; Белюченко, 2011 г). Например, вымыванию Zn, Cd, Ni, Pb, Mn, Co, Cu в сложных компостах при концентрации 0,005 мг–экв/100 г способствует слабый раствор серной кислоты, указывающий на большую роль ТМ в вертикальной миграции тяжелых металлов. Основные исследования по этому вопросу проведены нами в физикогеографических условиях Ленинградского района (степная зона края) с использованием фосфогипса при рекультивации чернозема обыкновенного при выращивании кукурузы, озимой пшеницы, сахарной свеклы и других культур (Белюченко, 2001 а; Белюченко, Гукалов, 2003; Мельник, 2011). Важным барьером на путях перемещения тяжелых металлов выступают растения, поскольку их корневые системы сдерживают большое количество ионов, связанных совокупным взаимодействием морфофизиологических структур и химических реакций неспецифического характера (обменная емкость корней, концентрация токсикантов в вакуолях клеток, химическая инактивация отдельных комплексных соединений и т.д.) (Белюченко и др., 2008 а, в; Муравьев и др., 2008 а, в). Накопление тяжелых металлов при их внесении в почву вызывает определенные изменения в растениях, связанные с возникновением в них защитных механизмов и усилением в их клетках антагонизма ионов. Например, повышение ПДК в верхнем слое почвы Zn, Со, Cd, Cu, Pb, Ni и Mn не приводит к понижению урожая сахарной свеклы, но способствует повышению в еѐ корнеплодах содержания фосфора и калия, которые затем могут активизировать свои антагонистические свойства. Внесение сложного компоста существенно меняет активность практически всех ТМ в сторону снижения их эффективности. Типы и состав загрязнителей в почве на фоне внесения сложного компоста играют важную роль в устойчивости растений к тяжелым металлам, взаимодействие которых может выражаться в си274 нергизме или антагонизме (Белюченко и др., 2012 г). Взаимодействие между тяжелыми металлами определяется совместным функционированием Cd с Pb и Ni, Co и Cu и т.д. и может быть организму несвойственным в норме, а возникать из-за разрушения физиологического барьера у отдельных организмов или органов в результате стрессов при варианте усиленного совместного действия элементов (синергизм или антагонизм), что зависит от составляющих систему «почва – сложный компост – растение» (Belyuchenko, 2014 а). Загрязнение растений и снижение объема и качества их продукции вызывается нарушением баланса в системе почва – растение (Белюченко и др., 2005 в). Корректирующим фактором установления равновесия в системе в целом и в частности буферности в почвах служит внесение сложного компоста вследствие его химических свойств: доля органических веществ и глинистых комплексов, ионообменные, окислительно-восстановительные и сорбционные свойства, которые меняются под влиянием тяжелых металлов и сами способны менять среду обитания живых организмов (Белюченко и др., 2003). Буферность почвы по отношению к загрязнителям определяется еѐ химизмом, влияющим на подвижность токсических веществ, способность последних вступать в ионный обмен, закрепляться в почвенных коллоидах в процессах сорбции, комплексообразования и осаждения. Для любого раствора устойчивость к загрязнению зависит от содержания в нем тонкодисперсных минералов, их количества и качества, содержания органического вещества и уровня рН в ППК (Белюченко, Гукалов, 2004). Процессы осаждения, растворения, а также распределения токсических соединений тяжелых металлов, нефтяных загрязнений, стоков свиноводческих комплексов в сложном компосте происходят между твердыми фазами очень активно (Белюченко и др., 2004; Belyuchenko, 2014 в). Кислотные и щелочные свойства отдельных тяжелых металлов и органических веществ определяют форму и особенности их соединений, величину и знак заряда их частиц (катион, анион, нейтральная частица) в сложном компосте, прочность связей и долю удерживаемых ими частиц. Инообменная абсорбция катионных форм (металлы, неметаллы), попадающих в сложный компост, возрастает при пониженной кислотности, а у анионных форм проявляется обратная зависимость и основная их часть сорбируется в сла275 бощелочной среде с преобладанием анионов в двузарядной форме (Белюченко и др., 2006 ж). Основными ограничителями подвижности тяжелых металлов в верхнем слое почв степной зоны являются влага, нейтральная реакция сложного компоста и устойчивость гумуса. В сложном компосте идет карбонатная аккумуляция осадков, обогащенных Cr, Cd, Pb, Mn, Cu, которые весьма подвижны в форме истинных растворов (Гукалов и др., 2005 а, б, в; Белюченко и др., 2006 ж). Перемещение всех элементов в сложном компосте обычно весьма низкое, и при испарении идет аккумуляция ТМ – Co, Cd, Ni, Pb и др. Достаточно подвижными являются Mn, Fe, Cu, Mo, Zn в сложных компостах с органическими и минеральными веществами; в коллоидном состоянии при щелочной реакции отдельные элементы весьма активно перемещаются в форме простых солей (Белюченко, Филобок, 2006). Учитывая буферные свойства тяжелых металлов в сложном компосте, переход их подвижных форм в малоподвижные в связи с содержанием тонкодисперсных оксидов алюминия, железа и кремния, содержанием и типом глинистых соединений и гумуса, с нейтрализацией рН подвижность ТМ понижается; способность сложного компоста инактивировать ТМ связывают с высоким содержанием гумуса и глины, а также величиной актуальной кислотности. Буферная способность сложного компоста оценивается по емкости катионного обмена, представляющей интегральную характеристику содержания гумуса, глины и актуальной кислотности почвы. Среди всех загрязнителей агроландшафтов черноземов наибольшую опасность представляют тяжелые металлы (Belyuchenko et al, 2014). Количество и типы загрязнителей почвы широко варьируют (тяжелые металлы от любого источника, нефть и нефтяные загрязнения, жидкие органические загрязнения животноводческих комплексов, кислотные осадки, пыль и другие), которые получили распространение за последние 30-35 лет (Белюченко, 2009 б). Мы остановимся на тех загрязнителях (твердых, жидких и газообразных), которые негативно влияют на жизнеспособность населения, но которые можно комплексировать и создавать сложные компосты (удобрения) без применения для их производства каких-либо материальных и затратных мероприятий (Belyuchenko, 2014 б). Методы детоксикации загрязненных тяжелыми металлами почв. Среди всех загрязнителей черноземных агроландшафтов 276 наибольшую опасность представляют тяжелые металлы. В процессе хозяйственной деятельности происходит загрязнение окружающей среды различными химическими средствами интенсификации сельскохозяйственного производства, твердыми, жидкими и газообразными отходами промышленности, органическими отходами населенных пунктов, животноводческих комплексов, детергентами, искусственными долгоживущими продуктами ядерного деления, продуктами сгорания топлива и т. д. Среди тяжелых металлов приоритетными загрязнителями являются Hg, Pb, As, Cd, Zn, Cu, Cr, Ni. Они поступают в организм человека и сельскохозяйственных животных в основном с растительной пищей, воздухом и водой. Опасными являются высокие концентрации тяжѐлых металлов в почве и их избыточное поступление в организм человека и животных, откуда эти металлы выводятся очень медленно, накапливаясь, главным образом, в почках и печени. Кроме того, постоянное потребление растительной продукции даже со слабо загрязнѐнных почв может приводить к кумулятивному эффекту, то есть к постепенному увеличению содержания тяжѐлых металлов в живом организме (Белюченко и др., 2006 ж). Степень негативного действия тяжѐлых металлов на растения определяется не столько валовым (общим) их количеством, сколько содержанием мобильных соединений, находящихся в почве. Подвижность тяжѐлых металлов в почве и их поступление в растения очень изменчивы и зависят от многих факторов: вида растений, почвенных и климатических условий. Концентрация тяжѐлых металлов в растениях зависит также от возраста растений и сильно варьирует в различных органах. Накапливаясь в почве в больших количествах, тяжѐлые металлы способны изменять многие еѐ свойства. Прежде всего изменения затрагивают биологические свойства почвы: снижается общая численность микроорганизмов, сужается их видовой состав (разнообразие), изменяется структура микробоценозов, падает интенсивность основных микробиологических процессов и активность почвенных ферментов и т. д. Сильное загрязнение тяжѐлыми металлами приводит к изменению и более консервативных признаков почвы, таких как гумусное состояние, структура, рН среды и др. Результатом этого является частичная, а в ряде случаев и полная утрата поч- 277 венного плодородия (Белюченко, Муравьев, 2009; Belyuchenko, 2014 в). Почвы являются накопителем токсичных веществ и одновременно стартовым звеном в их перемещении в сопредельные среды: воздушную и водную, а также по пищевым цепочкам. Загрязненность почв требует мероприятий по детоксикации почв, снижению опасности токсикантов для здоровья человека. Существует несколько методов детоксикации почв, загрязнѐнных тяжѐлыми металлами (Белюченко, 2013 в; 2014 а). Известкование почв – метод основан на нейтрализации избыточной кислотности внесением сложного компоста, который снижает подвижность тяжѐлых металлов, так как карбонаты этих элементов труднорастворимы (за исключением молибдена и хрома). При известковании загрязнѐнных почв рекомендуется вносить дозы известковых удобрений, обеспечивающие доведение рН почвы до уровня 6,5-6,7. Известковые удобрения необходимо наиболее равномерно распределять в пахотном слое, поэтому дозу известковых удобрений более 10 т/га следует заделывать в почву в 2 приѐма. Внесение органических удобрений – метод основан на внесении торфонавозных сложных компостов, навоза, соломы, увеличивающих запасы гумуса в почве, еѐ буферную способность и поглощающую ѐмкость; является эффективным средством снижения подвижности тяжѐлых металлов. Органические удобрения применяют в максимально возможных дозах с учѐтом потребности сельскохозяйственных культур в азоте и содержания его в корнеобитаемом слое почвы, чтобы не было избыточного накопления нитратов в растительной продукции. Применение фосфорных удобрений – применяя этот метод, на основе сложного компоста можно существенно снизить подвижность тяжѐлых металлов. Эффективность применения фосфорных удобрений зависит от содержания тяжѐлых металлов в почве и уровня реакции среды. Конкретные дозы сложного компоста уточняют с учѐтом обеспеченности почвы питательными элементами, планируемых урожаев и их выноса (дозы фосфоритной муки должны составлять 300-500, а суперфосфата – 120-150 кг/га Р2О5). При этом необходимо знать химический состав удобрений, чтобы не происходило загрязнения почвы токсичными элементами. 278 Глубокая обработка почвы – метод заключается в ускорении миграции тяжѐлых металлов и разбавлении загрязнѐнного слоя почвы за счет безотвального рыхления. В случае равномерного распределения тяжѐлых металлов по всей глубине плодородного слоя почвы применяют очень дорогостоящий приѐм, заключающийся в переводе соединений тяжѐлых металлов в подвижную форму и промывке (учитывая уровень грунтовых вод) почвы для перемещения их в глубокие горизонты, где они становятся недоступными для корневой системы растений. Подбор устойчивых растений – сущность метода заключается в том, что подбор сельскохозяйственных культур, устойчивых к загрязнению, является наиболее простым способом ведения земледелия на загрязнѐнных тяжѐлыми металлами почвах. Например, более чувствительными к загрязнению кадмием являются такие растения, как лук, укроп, огурцы, томаты, капуста, редис, а наименее – картофель, пшеница, кукуруза, бобы, горох. При низком загрязнении почвы, когда содержание хотя бы одного из металлов достигает ПДК, необходимо применять комплекс мероприятий по устранению последствий загрязнения. На таких почвах нельзя выращивать наиболее чувствительные к тяжѐлым металлам культуры (салат, укроп, лук, петрушку). Не рекомендуется также выращивать на таких почвах кормовые культуры. На этих почвах с внесением сложного компоста можно выращивать корне-клубнеплоды (за исключением сахарной свеклы) при условии применения необходимых агрономических мероприятий, направленных на снижение подвижности тяжѐлых металлов и поступления их в растения (Белюченко, 2014 е). При среднем и высоком уровнях загрязнения рекомендуется выращивать культуры, мало чувствительные к загрязнению и не накапливающие тяжѐлые металлы (технические, на семенники), при интенсивном применении агрохимических и агротехнических мероприятий, снижающих поступление тяжѐлых металлов в продукцию. При очень высоком уровне загрязнения почвы необходим специальный комплекс работ, так как обычные меры будут малоэффективны и будет происходить не только загрязнение продукции тяжѐлыми металлами, но и снижение урожая вплоть до его полной гибели в отдельных случаях. Наиболее оптимальным методом детоксикации почв можно считать внесение сложного компоста. Эффективность того или иного метода зависит от конкретного типа почв, агрохими279 ческих характеристик (рН среды, содержания органического вещества, буферности почвы и т.д.). Учитывая разнообразие типов сложных компостов, особенно их буферные свойства, переход подвижных форм тяжелых металлов в малоподвижные с концентрацией в субстрате тонкодисперсных оксидов алюминия, железа и кремния, а также глинистых соединений и гумуса, с варьированием рН почвенного раствора, можно изменить величину рН в нужном направлении. С помощью компостов перевод подвижных форм тяжелых металлов в неподвижные мы провели на сильно загрязненном участке, занятом ранее плодовым садом в типичных условиях степной зоны края (Белюченко, 2009 а). Практическим результатом исследований явилось упрощение и сокращение процесса, а также повышение эффективности очистки черноземных почв, загрязненных тяжелыми металлами, путем связывания их подвижных форм в органоминеральные комплексы, недоступные для растений, наряду со снижением трудозатрат и энергоемкости (Белюченко, 2011; Белюченко и др., 2006 ж; Гукалов, Белюченко, 2007; Белюченко, Мельник, 2010; Белюченко, Зайцев, 2013). Практический результат достигается тем, что в способе очистки черноземных почв, загрязненных тяжелыми металлами, используется побуждающее вещество в составе сложного компоста, который готовится путем смешивания фосфогипса, простого суперфосфата и полуперепревшего навоза (в зависимости от уровня концентрации щелочных металлов), а также отходов растениеводства и животноводства, при следующем их соотношении (масс%): фосфогипс – 10,0-15,0; суперфосфат простой – 0,8-1,0; полуперепревший навоз КРС и остальное. Компост вносят в почву однократно на 5-6 лет в дозе 100-110 т/га с содержанием в навозе органического вещества до 20% и с рН 6,0-6,5, способной снизить щелочность черноземной почвы от рН 8,4 до 7,2-7,8, с последующей заделкой его культиватором на глубину до 20-25 см. Соотношение предлагаемых компонентов (фосфогипса и суперфосфата простого) обусловлено созданием оптимальной среды сложного компоста (рН 6,0-6,5), способного при внесении его в рекультивируемую почву перевести легкоусвояемые формы тяжелых металлов в труднодоступные для растений при снижении щелочности почвы с рН 7,8-9,2 до 7,2 (Муравьев, Белюченко, 2006). 280 Новизна этого способа обусловлена тем, что используемый сложный компост (органические вещества и полуторные окислы) позволяет за год снизить содержание подвижных форм тяжелых металлов (Со, Mn, Cu, Cd, Ni, Pb, Zn) весьма существенно – на 60-70% и больше при переводе их в труднодоступные для растений формы. Использование сложного компоста при указанном соотношении его составляющих позволяет снизить подвижность элементов при консервации их в органоминеральных комплексах и солях металлов при одновременном снижении потерь азота (Белюченко и др., 2006 ж; Белюченко, Бережная, 2012). Внесение сложного компоста способствует повышению в почве содержания органического вещества и некоторому снижению щелочности почвенной среды, что является важным условием перехода тяжелых металлов в труднодоступные для растений соединения. Положительный результат в таком исследовании достигается при сочетании в сложном компосте отмеченных свойств и позволяет за короткий срок снизить загрязнение черноземной почвы легкоусвояемыми формами тяжелых металлов при снижении их подвижности и тем самым сократить их поступление в сельскохозяйственную продукцию (Белюченко и др., 2012 г). Увеличение в составе сложного компоста содержания фосфогипса от 10 до 15% по массе обусловлено более высоким значением рН почвенного покрова (от 7,8-8,2 до 9,0-9,2). При содержании фосфогипса > 15 масс% рН сложного компоста снижается и составляет < 6,0, что может привести к повышению кислотности рекультивируемой почвы, а следовательно, повысить в ней подвижность тяжелых металлов; содержание фосфогипса < 10 масс%, наоборот, недостаточно для образования компоста с рН от 6,0 до 6,5, способного снизить щелочность черноземной почвы с 7,8-9,2 до 7,2-7,8. Использование до 0,8-1,0% суперфосфата простого способствует дополнительному обогащению рекультивируемой почвы подвижным фосфором, а также связыванию азота и сокращению его потерь в компосте. Использование в компосте < 0,8 масс% суперфосфата недостаточно для обеспечения почвы и произрастающей на ней растительности фосфором, а 1,0 масс% способен обеспечить почву фосфором с учетом его содержания в фосфогипсе. Исследования динамики тяжелых металлов в почвах агроландшафта проводились в ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского 281 района. Был обработан при внесении сложного компоста участок площадью 2 га после выкорчевки плодового сада. Исследования проводили с целью снижения уровня ПДК подвижных форм тяжелых металлов (Pb, Cd, Ni) в почвенном покрове. Почва сада характеризовалась следующими свойствами: содержание органического вещества – 3,5%, рН 7,8-8,2. Валовое содержание тяжелых металлов в загрязненной почве в начале опыта составило: свинца – 70,2 (2,19 ПДК), кадмия – 1,22 (2,44 ПДК), никеля – 188,9 мг/кг (2,22 ПДК); а содержание подвижных форм соответственно 13,6 (2,27 ПДК); 0,21 (2,10 ПДК) и 9,4 мг/кг (2,35 ПДК). Через год после внесения сложного компоста в дозе 100-110 т/га валовое содержание тяжелых металлов в почве несколько увеличилось и составило: Рb - 78,5, Cd – 1,26, Ni – 200,4 мг/кг; содержание подвижных форм снизилось и составило соответственно 4,5 (0,75 ПДК), 0,05 (0,50 ПДК) и 2,4 мг/кг (0,60 ПДК). Через 4 года после внесения компоста содержание подвижных форм тяжелых металлов в почве несколько увеличилось: Рb – до 5,4 (0,90 ПДК), Cd – 0,08 (0,80 ПДК), Ni – 3,6 мг/кг (0,90 ПДК). Следовательно, для поддержания пониженного уровня ПДК через 4-5 лет необходимо повторное внесение сложного компоста на загрязненной почве (Белюченко, 2013 к). Снижение содержания подвижных форм тяжелых металлов обусловлено усилением сорбционного потенциала состава сложного компоста. В результате проведения опыта содержание органического вещества в обрабатываемой, загрязненной тяжелыми металлами почве повысилось до 3,9%, а рН снизилось до 7,2-7,8, что способствует связыванию подвижных форм тяжелых металлов в труднодоступные для растений соединения. Полученные данные свидетельствуют о снижении содержания подвижных форм тяжелых металлов в черноземных почвах и, как следствие, о снижении их поступления в растительный материал. Способ очистки черноземных почв, загрязненных тяжелыми металлами, включающих использование сложного компоста, отличающегося тем, что в качестве побуждающего вещества применяют смешанный состав различных отходов, которые готовят путем перемешивания, включая фосфогипс, суперфосфат простой и полуперепревший навоз КРС, а также отходы растительности, при следующем их соотношении в зависимости от уровня концентрации щелочных 282 металлов, масс%: фосфогипс – 10,0-15,0; суперфосфат простой – 0,8-1,0 и остальное – перегной КРС. Указанную смесь вносят в почву однократно на 5-6 лет в дозе 100-110 т/га с содержанием органического вещества до 20% и с рН 6,0-6,5, способного снизить щелочность черноземной почвы до 7,2-7,8, с последующей заделкой его культиватором на глубину до 20 см. Указанный способ достаточно прост, позволяет за год снизить загрязнение черноземных почв легкоусвояемыми формами тяжелых металлов при снижении их подвижности, а следовательно, снизить их поступление в сельскохозяйственную продукцию (Гукалов и др., 2010 а). Предложенный нами метод перевода подвижных форм тяжелых металлов в черноземных почвах в труднодотупные для растений соединения, что позволяет снижать с помощью сложного компоста легкорастворимые подвижные формы многих тяжелых металлов в слабо растворимые. Бенз(а)пирен и оценка его негативного воздействия. За последние 30 лет во всех странах мира отмечен значительный рост числа случаев появления врожденных уродств, тяжелых аллергических и онкологических заболеваний. Это бесспорно связано с тем, что антропогенные факторы в биогеохимическом круговороте многих токсичных для человека веществ стали сопоставимы с природными, а порой и превосходят их. Актуальной задачей является организация и осуществление эколого-аналитического мониторинга суперэкотоксикантов. Среди ксенобиотиков существенную долю составляют полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), обладающие высокой биологической активностью (в частности, канцерогенной и мутагенной). Это углеводороды, основным элементом структуры которых является бензольное кольцо. Молекулы различных ПАУ содержат разное число сопряженных бензольных колец, а также разнообразные функциональные группы в кольце или боковой цепи. Эти канцерогены присутствуют практически везде: в атмосферном воздухе населенных пунктов и их окрестностей, в воздухе производственных и жилых помещений, в воде открытых водоемов, в растениях и почве. Образование и поступление ПАУ в окружающую среду связано как с высокотемпературными природными процессами (лесные пожары, вулканическая деятельность), так и антропогенными факторами (промышленные выбросы, сжигание топлива, 283 образование выхлопных газов при работе транспортных двигателей и др.). В зависимости от источника выбросов и исследуемого объекта состав полициклических ароматических углеводородов может быть весьма разнообразным: наряду с незамещенными ПАУ в окружающей среде обнаружены их гетероциклические аналоги, иногда более канцерогенные, чем исходные соединения. Их присутствие в смеси с ПАУ может вызывать синергический эффект. На сегодняшний день насчитывается более 200 видов ПАУ. Перечислим лишь некоторые из них: нафталин, аценафтилен, аценафтен, флуорен, фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен, трифенилен, тетрафен, хризен, бенз(а)пирен, бензперилен. Одной из главных причин токсичности ПАУ является их канцерогенность. Из приведенного набора ароматических незамещенных углеводородов, содержащихся в воздухе и других природных средах, наибольшую канцерогенную активность имеет бенз(а)пирен. Бенз(а)пирен практически всегда обнаруживается там, где присутствуют другие ПАУ. Он обладает относительной стабильностьюв в окружающей среде и сравнительно легко определяется аналитически. Все это позволяет принять бенз(а)пирен в качестве индикатора, характеризующего общую загрязненность исследуемых сред полиароматическими углеводородами. Бенз(а)пирен содержит в своей молекуле более 4 ароматических колец. Он был идентифицирован в 1933 году как канцерогенный компонент сажи и смолы (табл. 12.1). Таблица 12.1. Характеристика бенз(а)пирена Основные свойства бенз(а)пирена Формула C2ОH12 Масса 252,31 г/моль Плотность 1,24 г/см3 Температура плавления 179 °C Температура кипения 495 °C Строение молекулы Бенз(а)пирен, как и все ПАУ, образуется в основном в результате пиролиза, особенно неполного сгорания органических материалов, а также в природных процессах (карбонизация). Основными антропогенными источниками поступления бенз(а)пирена в окружающую среду являются: сжигание углеводородного сырья, мусора, 284 органического вещества, химико-технологические процессы, а также выбросы автотранспорта. Что касается автотранспорта, то известно, что выброс бенз(а)пирена определяется не столько типом двигателя внутреннего сгорания автотранспортного средства, сколько температурными условиями сжигания топлива, в особенности при запуске и остановке двигателя (Даниелова, 2001). Применение открытого огня или жаровен, для которых используется древесный уголь, может вызвать загрязнение данным токсикантом не только воздуха, но и пищи. Большая часть бенз(а)пирена находится в нижних слоях атмосферы в адсорбированном виде на аэрозольных частицах. В таком виде он может переноситься на большие расстояния воздушными потоками. С атмосферными осадками, а также вследствие седиментации твердых частиц находящийся в атмосферном воздухе бенз(а)пирен поступает в почву. Максимальное содержание его изза высокой сорбционной способности наблюдается в поверхностном (гумусном) слое. Из почвы бенз(а)пирен может переходить в растения, корма для животных, а затем и в пищу человека. В основном данный токсикант поступает в растения при осаждении из атмосферы, а не из почвы. Имеются данные, что только при концентрации бенз(а)пирена в почве порядка 100-200 мкг/кг возможно его накопление в растительных организмах. Небольшие количества бенз(а)пирена в почве (0,1-10 мг/кг ) могут стимулировать процессы нитрификации и активность целлюлозоразрушающей микрофлоры. С пищей, водой, а также с вдыхаемым воздухом бенз(а)пирен попадает в организм человека. Для него характерны гидрофобные свойства наряду с хорошей растворимостью в маслах, жирах, плазме человеческой крови. Попадая в живую клетку, бенз(а)пирен способен вызывать в ней необратимые изменения вплоть до образования злокачественных опухолей и возникновения мутаций. Кроме того, под воздействием ультрафиолетового излучения бенз(а)пирен в атмосферном воздухе вступает в реакцию с оксидами азота, в результате образуется новый токсичный продукт, содержащийся в смоге. Он также опасен, тем что оказывает вредное воздействие на живые организмы, ведет к росту легочных и бронхиальных заболеваний. В настоящее время в нашей стране установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) для бенз(а)пирена в воде водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения (5 нг/дм3 ), в 285 сухой почве (20 мкг/кг) и среднесуточная величина в атмосферном воздухе населенных мест (1нг/м3). В настоящее время бенз(а)пирен, как правило, определяют методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с использованием флуориметрического детектора (ПНД Ф 16.1:2:2.2:3.39-03; ПНД Ф 14.1:2:4.65-96; ПНД Ф 13.1.16-98). Данными методиками хорошо определяется бенз(а)пирен на уровне ПДК. Однако для обнаружения следовых количеств данного соединения чувствительность данных методов недостаточна. В лаборатории суперэкотоксикологии была отработана хроматомасс-спектрометрическая методика определения бенз(а)пирена в почвах, донных отложениях, твердых отходах, водных и газовоздушных средах, которая заключалась в следующем: 1) извлечение бенз(а)пирена из анализируемых образцов гексаном с использованием ультразвука, очистка и концентрирование при помощи твердофазной экстракции на колонке С18Е (Phenomenex США); 2) анализ очищенного экстракта бенз(а)пирена в додекане методом хромато-масс-фрагментографии по характеристике для бенз(а)пирена массе; выполнение анализа осуществляли на хроматографе HP-6890 с масс-селективным детектором HP-5973 и использованием капиллярной колонки DB-Dioxin. Данная методика позволила существенно снизить пределы обнаружения бенз(а)пирена, которые составили: – для почв, грунтов и твердых отходов при навеске пробы 20 г – 0,01 мкг/кг; – для газовоздушных сред при объеме пропущенного воздуха 500 м3 – 0,25 нг/м3; – для водных проб при объеме пробы 0,5 дм3 – 0,5 нг/дм3. Использование сложного компоста, в состав которого включается до 10 и больше видов отходов, его применение в почвах существенно позволяет снизить в верхнем слое содержание бенз(а)перена и существенно снизить его концентрацию в урожае отдельных культур. Диоксины в окружающей среде и методы их определения. Одной из глобальных экологических проблем является загрязнение окружающей среды стойкими органическими загрязнителями (СО3). К этой группе относят диоксины, чужеродные живым организмам 286 вещества (ксенобиотики), поступающие в живую и неживую природу с продукцией или отходами многих технологий. Они непрерывно и во все возрастающих масштабах генерируются цивилизацией в последние полвека, выбрасываются в природную среду и накапливаются в ней. Процесс не знает ни пределов насыщения, ни национальных границ. Можно выделить три основные группы способов поступления диоксинов в биосферу: 1. Функционирование несовершенных, экологически небезопасных технологий производства продукции химической, целлюлозно-бумажной и металлургической промышленности. Для них всех характерны диоксинсодержащие отходы и сточные воды в период регулярной деятельности, а также большие дополнительные выбросы в случае аварийной обстановки. В металлургической промышленности микропримеси ПХДД и ПХДФ возникают в процессе синтеза, осуществляющегося путем высокотемпературного хлорирования металла, к которому обычно добавляют металлолом (температура процесса 650°С в производстве FeCl3 и 750...800°С в производстве AlCl3). Источником диоксинов являются органические вещества, неизбежно сопутствующие вторичному металлу: смазочные масла, остатки охлаждающей жидкости на стружке и т.д. Значительные количества диоксинов образуются в целлюлознобумажной промышленности. В основном это происходит на стадии делигнификации древесины. Поскольку лигнин (а это четверть древесной массы) содержит фенольные фрагменты, образование хлорированных фенолов и феноксифенолов - предшественников диоксинов ПХДД и ПХДФ – в процессе хлорирования лигнина неизбежно. Отбеливание целлюлозы осуществляется с использованием хлора и его соединений: оксида хлора, гипохлоритов, хлоритов и хлоратов. При производстве гербицида 2,4,5-Т (2,4,5-трихлоруксусная кислота) в качестве примеси присутствуют соединения ПХДД(Ф). 2. Использование химической или иной продукции, содержащей примеси (диоксинов или их предшественников) и продуцирующей их в процессе использования или аварии. 3. Несовершенство и небезопасность технологии уничтожения, захоронения и преобразования отходов. Известно, например, что с каждым миллионом тонн сжигаемого городского мусора образуется примерно 34 тыс. т летучей золы с сопутствующей ей смесью ПХДД и ПХДФ, причем 95-99% этого количества осаждается на 287 электростатических фильтрах и оказывается на свалках, а остальные вместе с газами попадают в атмосферу. Диоксины никогда не были целевой продукцией человеческой деятельности, а лишь сопутствовали ей в виде микропримесей. Именно микропримеси диоксинов, характеризующихся комплексом необычных физико-химических свойств и высокой уникальной биологической активностью, могут стать одной из причин долговременного заражения биосферы. Эта опасность несравненно более серьезна, чем заражение природы другими веществами. Даже в очень малых дозах эти вещества вызывают усиление функционирования ферментов монооксигеназной системы печени, ответственной за биотрансформацию сотен соединений, поступающих в организм, и синтез необходимых веществ, что ведет к метаболическому хаосу в организме. Наиболее токсичными представителями обширной группы чрезвычайно опасных ксенобиотиков являются 2,3,7,8-ТХДД и 2,3,7,8-ТХДФ, содержащие атомы галогенов в латеральных 2,3,7,8положениях. Диоксин – это шестичленный гетероцикл, в котором два атома кислорода связаны двумя этиленовыми мостиками. Полихлорированные дибензо-п-диоксины и дибензофураны являются бесцветными кристаллическими веществами. Хорошая растворимость различных полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов в органических растворителях определяется их липофильной (гидрофобной) природой. В то же время полихлорированные дибензо-п-диоксины и дибензофураны практически нерастворимы в воде. В частности чрезвычайно низка растворимость 2,3,7,8ТХДД (8-200 нг/л). В реальных условиях она может быть и ниже, и выше. Это объясняется высокой способностью диоксинов к комплексообразованию с водорастворимыми полимерами (гуминовые и фульвокислоты). Был определен расход гуминовых и фульвокислот в результате хлорирования воды на водозаборе: если до обработки воды содержание гуминовых и фульвокислот в р. Тобол было на уровне 3,82 и 6,71 мг/л соответственно, то после первичной обработки хлором оно снизилось до 2,19 и 3,85 мг/л, а после вторичной обработки – до 1,56 и 2,63 мг/л. Летучесть диоксинов незначительна. 288 Одна из важных физико-химических характеристик диоксинов – это высокая адгезионная способность по отношению к развитым поверхностям (частичкам почвы, золы, донных отложений). Это свойство зависит, однако, от наличия в субстрате других органических веществ. В неживой природе полихлорированные дибензо-п-диоксины и дибензофураны испаряются с поверхностей очень медленно. В то же время они постепенно переходят в органическую фазу почвы или воды, мигрируют далее в виде комплексов с органическими веществами, поступают в воздух, водоемы, включаются в пищевые цепи. Попадая в живые организмы, диоксины аккумулируются в жировой ткани и далее модифицируют биохимические процессы. Они обладают химическими свойствами, присущими галогенорганическим соединениям. Полихлорированные дибензо-пдиоксины и дибензофураны обнаруживают хорошую стабильность в сильнокислых и щелочных растворах. Известна способность их к нуклеофильному замещению и гидролизу в сильнощелочных спиртовых растворах при нагревании. Наибольшей реакционной способностью обладают диоксины, у которых идет замещение в латеральных положениях, а не в апикальных, т.е. 2,3,7,8-ТХДД оказывается в реакциях замещения наиболее стойким. Таким образом, высокая стойкость ксенобиотиков в объектах окружающей среды обусловливается их строением и химическими свойствами. Гидролиз – это основной путь метаболизма этих веществ в живых организмах. В почве период полураспада диоксинов доходит до 20 лет, в воде и донных отложениях 2 года, время полувыведения из организма человека – порядка 3-6 лет. С целью предупреждения неблагоприятных последствий был разработан допустимый уровень содержания диоксинов в объектах окружающей среды и для основных групп продуктов: величина ПДК в атмосферном воздухе – 0,5 пг/м3; в воде – 20 пг/л; в почве – 0,33 нг/кг; донных отложениях – 9 нг/л; для молока и молочных продуктов (в пересчете на липиды) – 5,2 пг/кг; для рыбы и рыбопродуктов (съедобная часть) – 11 пг/кг, в пересчете на липиды – 88 пг/кг; для мяса и мясопродуктов (съедобная часть) – 0,090 пг/кг, в пересчете на липиды – 3,3 пг/кг (Белюченко, 2014 е). На сегодня наиболее достоверным аналитическим методом определения диоксинов является хромато-масс-спектрометрия, поскольку именно она обеспечивает высокую чувствительность, быст289 роту, информативность и надежность анализа. При этом особое внимание уделяется пробоподготовке, непременным условием которой является тщательная подготовка пробы: экстракция, многостадийная очистка пробы от сопутствующих примесей и концентрирование, что позволяет даже при невысокой разрешающей способности прибора обнаружить следовые количества супертоксикантов в анализируемых объектах. В пробу добавляется внутренний стандарт, что позволяет, с одной стороны, количественно оценивать содержание диоксинов в пробе и, с другой стороны, знать степень извлечения диоксинов из исходной пробы и уровень потерь при пробоподготовке. Нами был опробован способ извлечения диоксинов из экстракта почвы адсорбционной хроматографией, в которой разделение составных частей пробы достигается благодаря различной полярности органических веществ. При этом компоненты пробы по-разному адсорбируются на поверхности твердой фазы и удерживаются на ней благодаря образованию нековалентных связей или за счет сил Ван-дер-Ваальса (Майстренко и др., 1996). Диоксины извлекают из анализируемого объекта органическими растворителями с помощью ультразвука. Далее экстракты полихлорированных дибензо-пдиоксинов и дибензофуранов очищают, пропуская через колонки. Очистка образца включает в себя 4 этапа (ПНД Ф 16.1.7-97): 1) очистка на многослойной колонке с модифицированным силикагелем (чередование слоев силикагеля, импрегнированного CsOH или KOH, и слоев, импрегнированных концентрированной H2SO4); 2) очистка на колонке с целлитом 545 и активированным углем; 3) повторная очистка на многослойной колонке с модифицированным силикагелем; 4) очистка на колонке с активированной окисью алюминия. На многослойной силикагелевой колонке происходит отделение диоксинов от непредельных углеводородов, легко окисляющихся органических соединений и соединений с функциональными группами. Оксид алюминия служит для удаления преимущественно полярных соединений, а активированный уголь с целлитом – для удаления неполярных соединений. 290 Для элюирования полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов с силикагелевой колонки № 1 применяли смесь дихлорметана с гексаном в объемном соотношении 50:50. При очистке с помощью активированного угля примеси вымывали смесью ацетона и гексана в объемном соотношении 50:50 и элюировали полихлорированные дибензо-п-диоксины и дибензофураны толуолом. С силикагелевой колонки № 2 элюировали экстракт гексаном. Колонку с оксидом алюминия промывали гексаном и элюировали смесью гексана и дихлорметана в объемном соотношении 50:50. В упаренный элюат добавляли 10 мкл додекана и отдували в токе азота. Данный метод был проверен на образцах почвы с внесением внутреннего стандарта. Применение сложного компоста в верхнем слое почвенного покрова позволяет существенно снизить содержание диоксинов в нем и понизить их концентрацию в урожае сельскохозйственных культур, выращиваемых на загрязненных диоксинами площадях. Бифенилы в окружающей среде. Среди стойких органических соединений (СО3), относящихся к классу суперэкотоксикантов антропогенного происхождения, полихлорбифенилы (ПХБ) являются одними из самых распространенных. Они массово производились и использовались с 1929 года. Промышленный выпуск этих синтетических веществ был прекращен в 1986 г. из-за их явно выраженных канцерогенных и мутагенных свойств. Однако до этого момента бифенилов уже было произведено свыше 2 миллионов тонн. ПХБ относятся к классу ароматических соединений, состоящих из двух бензольных колец, соединенных через межъядерную связь С-С, с замещением от одного до десяти атомов в орто-, метаили пара- положениях хлором. Существует 209 индивидуальных конгенеров ПХБ, отличающихся числом и положением атомов хлора в молекуле. По своим физико-химическим свойствам конгенеры ПХБ близки к диоксинам. ПХБ обладают рядом уникальных физических и химических свойств: исключительными теплофизическими и электроизоляционными характеристиками, термостойкостью, инертностью по отношению к кислотам и щелочам, огнестойкостью, хорошей растворимостью в жирах, маслах и органических растворителях, высокой совместимостью со смолами, отличной ад291 гезионной способностью. Это обуславливало их широчайшее применение в качестве диэлектриков в трансформаторах и конденсаторах, гидравлических жидкостях, теплоносителях и хладоагентах, смазочных маслах, компонентах красок, лаков и клеевых составов, пластификаторов и наполнителей в пластмассах и эластомерах, антипиренах, растворителях (Клюев, Бродский, 2002). Индивидуальные ПХБ сильно различаются по токсичности: чем больше число атомов хлора в молекуле, тем менее ПХБ летуч. Технические ПХБ представляют собой сложные смеси индивидуальных ПХБ. Значительная часть известных ПХБ встречается в виде загрязнителей окружающей среды: из 36 потенциально токсичных 26 обнаруживаются в тканях рыб, птиц, млекопитающих и беспозвоночных. Выделяют четыре группы ПХБ: 1) непосредственно токсичные (стереоаналоги 2,3,7,8тетрахлор-дибензо-парадиоксина); 2) с высокой потенциальной токсичностью (метаболически сходные с 3-метилхолантреном); 3) с умеренной потенциальной токсичностью (фенобарбиталовый тип); 4) с минимальной потенциальной токсичностью (мало распространенные в окружающей среде или с очень слабой биокумуляцией). ПХБ обладают высокой липофильностью. Скорость их выведения является функцией скорости метаболизма, которая, в свою очередь, зависит от выраженности хлорирования. Высокохлорированные дериваты существуют в организме чрезвычайно долго. ПХБ представляют собой смеси, компоненты которых обычно не содержатся в образцах биологических жидкостей в той же пропорции, в которой они содержатся в оригинальной жидкости. Гигиенические нормативы ПХБ, утвержденные в России: – ПДК в воздухе рабочей зоны – 1,0 мг/м3, пары, 2-й класс опасности; – ПДК в водных объектах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования – 0,001 мг/л, 2-й класс опасности; –ПДК в воде рыбохозяйственных водоемов - наличие ПХБ не допускается; 292 – ОДК - ориентировочно допустимые количества в почве ПХБ (суммарно) – 0,06 мг/кг; – гигиенические нормативы ПХБ для атмосферного воздуха населенных мест и допустимые уровни загрязнения кожных покровов не установлены. По данным Всемирной организации здравоохранения (Федоров, 1993) основными путями поступления ПХБ в окружающую среду являются следующие: 1) испарения из пластификаторов; 2) выделение при сжигании бытовых и промышленных отходов, а также при возгорании трансформаторов, конденсаторов и другого промышленного оборудования, в котором используются ПХБ; 3) утечки с другими промышленными отходами; 4) вывоз ПХБ на свалки; 5) другие неконтролируемые пути. Загрязнение окружающей среды происходит главным образом по первым трем каналам (Фѐдоров. Гильманов, 1980). Сбор и утилизация промышленных отходов, содержащих ПХБ. В связи с особенностями экономической ситуации в России в последние 10-15 лет существует проблема сбора и утилизации промышленных отходов, содержащих ПХБ. Лакокрасочные и смазочные материалы, произведенные много лет назад, в настоящее время практически полностью израсходованы и не представляют угрозы для окружающей среды. Электрооборудование же, особенно трансформаторы, из-за очень больших сроков службы эксплуатируется до сих пор. Количество отходов ПХБ от элементов электротехнического оборудования (т.е. выведенных из эксплуатации, но не полностью утилизированных) оценено в таблицах 12.1,12. 2. Таблица 12.1. Отходы от электротехнического оборудования, содержащие ПХБ, т Списанное или поврежденное оборудование Отрасль хозяйствования Химическая и нефтехи- Трансформаторы Конденсаторы ПХБ , 186 5688 318, 293 Количество ПХБ, слитого из оборудования 246,5 Общее количество ПХБ 565,1 мическая, черная и цветная металлургия, деревообрабатывающая (включая целлюлознобумажную промышленность), машиностроение Топливно-энегетический комплекс (сектор) Данные территориальных комитетов по охране окружающей среды Итого 6 - 19669 296, 3 - 296,3 144 10065 357, 8 20,6 378,4 330 35422 972, 1 267,1 1240 Таблица 12.2. Региональное распределение ПХБ-содержащих отходов Регион Северный Центральный Центрально-Черноземный Волго-Вятский Поволжский Северо-Кавказский Уральский Восточно-Сибирский Западно-Сибирский Дальний Восток Калинградская обл. Содержание ПХБ в отходах промышленности по секторам, т По данным региоПромышЭнергетинальных комитетов ленность ка охраны природы 10,6 25,8 5,6 13,8 51,2 84,9 4,2 6,8 4,3 13,3 50,8 16,5 83,7 6,2 29,1 0,1 55,9 19,8 144,0 65,8 139,0 1,9 26,0 49,2 6,2 21,3 0,9 7,8 6,4 9,0 Особенности идентификации ПХБ. Современные методы и подходы, используемые аналитиками при анализе объектов окружающей среды на содержание ПХБ, позволяют определять все конгенеры, несмотря на то, что ни одна хроматографическая колонка не может в настоящее время разделить все 209 компонентов ПХБ. Доминирующими методами являются: 294 –· газожидкостная хроматография (ГЖХ) с использованием селективного к хлорсодержащим соединениям электронозахватного детектора (ЭЗД) (Heidman, 1986); – сочетание ГХ-МС (система: газовый хроматограф-массдетектор) низкого разрешения (Бродский и др., 2002) и для определения планарных ПХБ (№ 77, 81, 126, 169) и сочетание ГХ с МС высокого разрешения. В настоящее время в качестве основного метода анализа ПХБ применяется газохроматографический метод определения пестицидов и полихлорированных бифенилов в растительных объектах, почве и воде. Метод основан на извлечении ПХБ из исследуемого образца органическими растворителями, сернокислотной очистке экстракта и проведение качественного и количественного анализа с использованием хромато-масс-спектрометра. При этом существует ряд современных методик, которые позволяют осуществлять процесс пробоподготовки образца с меньшим процентом потерь и меньшими затратами реактивов. Метод перхлорирования для определения суммарного количества ПХБ основан на реакции исчерпывающего хлорирования всех конгенеров ПХБ с образованием единственного соединения декахлорбифенила (ДХБ), определение которого осуществляется хроматографическим методом. На модельных смесях были найдены условия перхлорирования ПХБ модифицированным реагентом ВМС в количествах от 14 нг до 140 мкг, что перекрывает диапазон нормирования ПДК для большинства природных матриц. В найденных условиях можно проводить анализ на содержание ПХБ, присутствующих в образце на уровне ПДК. Наши исследования по обнаружению загрязнения бифенилами от предприятий Краснодарского края (ОАО «Еврохим БМУ» и Тихорецкий машзавод) показали необходимость более детального обследования данных территорий и других крупных предприятий и населѐнных пунктов края. Актуальность данной проблематики подтверждается исследованиями российских и зарубежных ученых в области выявления бифенильного загрязнения урбанизированных территорий, а также степени их опасности для человеческого организма. К тому же необходимо принять во внимание отсутствие каких-либо исследований по загрязнению данным токсикантом территории Краснодарского края. Поэтому считаем целесообразным про295 вести масштабное исследование с целью обнаружения присутствия в компонентах окружающей среды полихлорированных соединений в наиболее крупных населѐнных центрах края, на предприятиях химической и других видов промышленности. В данном случае анализу должны подвергаться пробы почв как на территории предприятия, так и вне его, промышленные сбросы, отходы и донные отложения водоѐмов, в которые осуществляется сброс сточных вод. Впоследствии, получив определенные результаты, можно будет сделать выводы о необходимости проведения мониторинговых исследований той или иной зоны на территории Краснодарского края. Не менее актуальным является развитие исследований учѐных Института биологии южных морей, (г. Севастополь) в области изучения уже выявленного загрязнения и миграции бифенилов в трофических сетях акватории Чѐрного моря, где необходимо проводить отбор проб морской воды, донных отложений и бентосных организмов. Внедрение сложного компоста в верхний слой почвы, загрязнной стойкими органическими соединениями, относящимися к классу суперэкотоксикантов антропогенного происхождения, является одним из способов снижения загрязнения бифинилами почв. Рекультивация почв, загрязненных нефтью. Решением задачи является повышение эффективности восстановленных почв, после загрязнения нефтепродуктами за счет снижения трудозатрат и энергоемкости. Поставленная задача достигается тем, что способ рекультивации почв, загрязненных нефтью, включает обследование участка, внесение удобрений, вспашку и посев сельскохозяйственных культур. По поверхности загрязненного участка фосфогипса при первом внесении в него добавляют песок в соотношении 2:1, наносят на поверхность почвы слоем 1,0-1,5 см, в первый год 3-4 раза через 1 месяц, начиная со второй половины апреля и до середины августа, а осенью на поверхность почвы разбрасывают сложный компост слоем до 1,5 см, состоящий из фосфогипса и полуперепревшего навоза крупного рогатого скота в соотношении 1:7; весной в почву вносят смесь, состоящую из минеральных удобрений и фосфогипса в соотношении 1:5; участок вспахивают и готовят к посеву (Белюченко и др., 2008г). Способ рекультивации почв, загрязненных нефтью, отличается тем, что минеральные удобрения состоят в основном из азота, 296 фосфора и калия, взятых из разных горизонтов отложения их материнских пород. Новизна заявленного предложения обусловлена тем, что загрязненная почва не вывозится, норма внесения мелиорантов определяется с учетом объема разлитой нефти, агрономической оценки почвы до разлива, продолжительности нахождения нефти на поверхности почвы. Заявленный способ подходит для рекультивации загрязненных нефтью почв или при ликвидации нефтяных загрязнений почв. Пример конкретного осуществления способа рекультивации почв, загрязненных нефтью, включает использование дигидратного фосфогипса. Для проведения опыта в хозяйстве «Заветы Ильича» Ленинградского района использовались участки полей севооборота, загрязненные нефтью. Опыт проводился в 2005 г. Предварительно обследовали два участка площадью 1 га каждый. Первый и второй участки были проанализированы на содержание гумуса и нефтепродуктов. По данным исследований было установлено, что первый участок имеет невысокую мощность горизонта 4,2%, что соответствует агрохимическим нормам; на втором участке, где была разлита нефть в количестве 15 л/м2, содержание гумуса составило 2,1%, что можно отнести к слабогумусному горизонту, и содержание нефтепродуктов составило 82000 мг/кг (Белюченко и др., 2008 г). Затем разбрасывали фосфогипсово-песчаную смесь в соотношении 2:1, которое обеспечивает наилучшую сорбционную емкость. Благодаря присутствию частиц песка легкие фракции нефти будут образовывать новые соединения. Нижний подвижный слой подпочвы, не затронутый нефтью, но расположенный на границе с загрязненным участком, будет иметь частичную буферную емкость, недостаток кислорода и определенный процент отмирания бактерий. Более нижние слои будут сохранять буферность и воду с находящимся в ней кислородом. При внесении фосфогипса и его перемешивании с почвой происходят реакции, протекающие в основном в кислой среде: преобразование фракций нефти с разрушением фракционной цепочки и выделением газа, включая сероводород и углекислый газ. Фосфогипс, обладая кислой реакцией, частично будет способствовать отделению воды от нефтяных фракций и поддерживать окислительновосстановительные функции почвы. 297 Состав нефти включает соединенные нефти, циклопарафины, нафтены, ароматические углеводороды, соединения ароматические с гетероатомами. В составе нефти присутствуют также соединения серы и микроэлементов (тяжелые металлы). При перемешивании субстрата под воздействием кислорода воздуха происходят реакции разрушения или перегруппировки фракционного состава нефти. При механическом воздействии (перепашка и внесение фосфогипса) происходит перемешивание слоев. При этом почвенные частицы, насыщенные фракциями нефти, будут взаимодействовать с неповрежденными, снимая давление загрязнения на субстрат. При сохранении кислой реакции будет происходить дальнейший распад органической составляющей нефти. Помимо этого произойдет уравновешивание окислительно-восстановительного потенциала, и реакция дыхания почвы будет возобновлена. За счет поглощения почвой СО2 негативное влияние нефти будет уменьшено. Если взять смесь с другим соотношением, то будет происходить усиление процесса гидрогенизации, но процесс сорбции идти не будет, и влияние нефтяного пятна будет оставаться локальным. Данный компост разбрасывают слоем 1,0-1,5 см и перемешивают с загрязненным субстратом путем перепашки всей площади на глубину ее загрязнения нефтепродуктами. Так как компост вносят 3-4 раза через 1 месяц, начиная со второй половины апреля до середины августа, это позволяет почве постепенно взаимодействовать с загрязненным участком послойно, а поскольку запашка идет на глубину 12-15 см, то происходит перемешивание слоѐв субстрата с целью улучшения его аэрации и усиления испарения воды с растворимыми в ней легкими фракциями нефти (Белюченко, 2014 е). Осенью по поверхности загрязненного участка разбрасывается компост слоем 1,0-1,5 см, состоящий из фосфогипса и полуперепревшего навоза КРС в соотношении 1:7. Данная пропорция обусловлена тем, что кислая среда фосфогипса будет продолжать воздействовать на фракционный состав нефти, а вот отходы КРС будут привносить в почву органическое удобрение и бактерии. Если в почву внести смесь с обратным соотношением полуперепревшего навоза КРС и фосфогипса, то развития бактерий и формирования микросообществ не произойдет. Рекультивируемый участок был проанализирован на содержание нефтепродуктов и гумуса, которые составили от 920 до 1130 мг/кг и 3,5% соответственно. 298 Весной в почву вносят смесь, состоящую из минеральных удобрений азота, фосфора и калия в равных количествах и фосфогипса, взятых в соотношении 1:5. Минеральные удобрения первыми будут участвовать в реакции и питании растений, фосфогипс вносится как мелиорант и уже как минеральное удобрение продолжительного действия. В почву сложный компост заделывают на глубину 15-18 см. Посев овса проводили из расчета 2 ц семян/га. Урожай травостоя в конце мая составил 3,8 т/га воздушно-сухой массы. Таким образом, способ рекультивации почв, загрязненных нефтью, включает обследование участка, внесение удобрений, вспашку и посев сельскохозяйственных культур, отличается тем, что в фосфогипс добавляют песок в соотношении 2:1 и полученную смесь наносят на поверхность почвы слоем 10-15 см в первый год 34 раза через 1 месяц, начиная со второй половины апреля и до середины октября, исключая холодный дождливый период, а осенью на поверхность почвы разбрасывают слоем 10-15 см компост, состоящий из фосфогипса и перегноя отходов крупного рогатого скота в соотношении 1:7, весной в почву вносят смесь, состоящую из минеральных удобрений и фосфогипса, взятых в соотношении 1:5; почву вспахивают и проводят посев овса; способ рекультивации почв, загрязненных нефтью по п. 1, отличается тем, что минеральные удобрения состоят из азота, фосфора и калия, взятых в равных частях. Этот способ позволяет сравнительно быстро (1-2 года) рекультивировать такие почвы с последующим посевом культурных растений (Белюченко, 2014 е). Загрязнение речных систем. Речная гидрология Краснодарского края очень специфична. Проанализировав обширные территории, занятые реками края, мы разделили их на 5 групп, отличающихся местами забора, особенностями территориального стока и устья. Безусловно, они отличаются по физическим, химическим и биологическим свойствам воды, донных отложений, береговой специфике, растительности, почвенному покрову пойм (Белюченко, 2004; 2005 г; Белюченко, Демченко, 2005; Белюченко, Мамась, 2005). Самая крупная река Краснодарского края – Кубань (Белюченко, 2001б). Основное русло еѐ проходит по территории в горах, затем протекает по равнине и впадает первоначально в Черное, а за299 тем в Азовское море. Большие равнинные площади занимают степные реки, загрязненные тяжелыми металлами (кадмием, марганцем) (Белюченко, 2004; Белюченко и др., 2005 б; Кобецкая, Белюченко, 2007). Большая концентрация тяжелых металлов свойственна относительно маломощной реке Кирпили. Экологическое состояние бассейнов степных рек Кубани весьма удручающее, они загрязнены тяжелыми металлами, нефтью, органическими стоками. Перспективы их развития – это посадка галерейных лесов вдоль всех русел этих рек, что, конечно, не финансируется, и трудно сказать о сроках реализации таких мероприятий (Белюченко Мамась, 2005) Исследования различных групп речных систем показали, что степные реки в своих донных отложениях накопили существенные концентрации свинца (Белюченко, Гукалов, 2005), стронция, титана, хрома (Яценко и др., 2005 а, б, в), особенно богата комплексом загрязнителей – органических соединений и биогенов – река Челбас (Белюченко и др., 2006 е). Антропогенная трансформация прибрежных систем Черного моря коснулась выноса Черноморскими реками в первую очередь нефтяных загрязнений (Белюченко и др., 2001). Степные реки Кубани накапливают определенные количества ванадия (Яценко и др., 2005 а), железа (Яценко и др., 2005 б), меди, мышьяка, никеля (Яценко и др., 2005 в). Большой интерес представляет бассейн реки Пшада, отличающей относительной непродолжительностью, но буйным нравом и сильно изменяющей свое русло в равнинной части. Таким образом речные системы края накопили в своих донных отложениях значительные концентрации ТМ и нефтяных загрязнений, что обусловлено специфичностью гидрологии, связанной с большими переносами ветровых потоков, а также дождей и открытой формой практически всех речных систем, лишенных прирусловых лесных полос. Способ переработки навозных стоков свиноводческих комплексов (СК). Стоки свиноводческих комплексов, как и твердые отходы СК, являются источником резкого неприятного запаха. Жидкие или твердые отходы СК создают дискомфорт для жителей его окрестностей. Поэтому мы задались целью попытаться решить вопрос по удалению такого запаха с использованием сложного компоста (Белюченко, 2000 а, б; Гукалов и др., 2006; Белюченко и др., 2007 б; Белюченко, Никифоренко, 2012). 300 Способ переработки навозных стоков СК, включающий введение фосфогипса в емкость для хранения навоза и получение жидкого обеззараженного удобрения, отличается тем, что в жидкий свиной навоз добавляют фосфогипс с рН 3,0-3,5, через 2-3 дня после исчезновения резкого неприятного запаха вносят полуперепревший навоз КРС при следующем соотношении, масс%: фосфогипс – 7-8, навоз КРС – 1-3, жидкий свиной навоз – остальное, затем перемешивают до однородной массы и выдерживают субстрат в течение 12 месяцев. Это позволяет получить жидкое обеззараженное удобрение при снижении трудозатрат и энергоемкости. Известен способ переработки навозных стоков животноводческих ферм и комплексов, который включает разделение исходных стоков на твердую и жидкую фракции, сбраживание жидких стоков, поступивших на очистную станцию от животноводческих предприятий района, после чего нагретую сброженную жидкую фракцию несколько раз пропускают через биофильтр-аэротенк до достижения БПК5 5-10 мг/л, отстаивают и сбрасывают в водоем, а осадок частично используют для насыщения аэробной микрофлорой жидкой фракции после метанового сбраживания и затем весь осадок подсушивают и используют как удобрение. Известен способ хранения и подготовки к утилизации животноводческих стоков, включающий их накопление и разделение на твердую и жидкую фракции; отделенную твердую фракцию собирают в накопителе, подают на установку компостирования, где проводят биотермическое обеззараживание. Жидкую фракцию подают в поочередно заполняемые карантинные емкости, в которых ее выдерживают не менее 6 суток для выявления эпизоотии, после чего не содержащую болезнетворных микроорганизмов жидкую фракцию направляют через отделитель грубых включений в геомембранное сооружение, где осуществляется психрофильное сбраживание в течение 30-120 суток. Сброженную жидкую фракцию направляют в открытое хранилище, а осадок, оседающий при сбраживании, отбирают путем осуществления его возвратно-поступательного движения и направляют на компостирование. Известен способ переработки бесподстилочного свиного навоза в органическое удобрение, включающий применение для обеззараживания свиноводческих стоков биопрепарата «Тамир» как отдельно, так и совместно с фосфогипсом. 301 Известен также способ подготовки жидких отходов свиноводческих хозяйств для сельскохозяйственного использования, включающий реагентную обработку жидкого навоза путем поэтапного введения подкисляющего реагента – суспензии фосфогипса с рН 6,5-7,5 и коагулянта – низкоосновного оксихлорида алюминия марки Аква-Аурат 14, который вводят в жидкий навоз в виде 5-10%-го раствора с дозой 3-30 мг/дм А12О3, с последующим обеззараживанием осадка в аппарате вихревого слоя с подвижными ферромагнитными частицами, взятый за прототип. Результатом исследований является получение жидкого удобрения путем обеззараживания навозных стоков свиноводческих комплексов, а также снижение трудозатрат и энергоемкости. В способе переработки навозных стоков СК, согласно изобретению, в жидкий свиной навоз добавляют фосфогипс с рН 3,0-3,5, через 2-3 дня после потери резкого неприятного запаха вносят перегной при следующем соотношении, масс%: фосфогипс – 7-8, перегной – 1-3, а остальное жидкий свиной навоз, затем перемешивают до однородной массы и выдерживают субстрат в течение 1-2 месяцев. Новизна заявленного способа обусловлена тем, что использование фосфогипса с рН 3,0-3,5 позволяет обеззаразить свиноводческие стоки при быстрой потере ими резкого неприятного запаха с малыми трудо- и экономическими затратами. Использование фосфогипса и навоза КРС позволяет обогатить свиноводческие стоки кальцием, серой, фосфором, кремнием и другими элементами. Указанное соотношение компонентов (фосфогипса, навоза КРС и свиноводческих стоков) и выдерживание субстрата в течение 1-2 месяцев позволяет снизить численность энтеробактерий и яиц гельминтов в жидкой фракции до уровня, позволяющего вносить свиноводческие стоки в почву без ограничений. Научный результат достигается только при сочетании заявленных признаков, что позволяет за короткий срок, в течение 1-2 месяцев, получить обеззараженное жидкое удобрение из свиноводческих стоков, которое целесообразно использовать в сельском хозяйстве для полива сельскохозяйственных культур, а твердую часть в дальнейшем компостировать. Опыт с жидким свиным навозом проводился на вегетационной площадке кафедры обшей биологии и экологии КубГАУ. Опыт закладывали в емкостях объемом 5000 см3. Жидкий свиной навоз, 302 используемый в опыте, отобран из корпуса содержания поросят в возрасте 4 месяцев и старше. Опыт включал 2 варианта: контрольный (жидкий свиной навоз) и опытный (жидкий свиной навоз + фосфогипс + перегной, соотношение которых зависит от кислотности основных компонентов: свиноводческих стоков и фосфогипса), проводимые одновременно. Ежемесячно проводили отбор проб и их анализ для оценки химических и биологических характеристик свиноводческих стоков. Период обеззараживания стоков опытного варианта составил 1-2 месяца, неприятный запах пропадал через 2-3 дня, жидкие стоки обогащались кальцием, серой, фосфором, кремнием и другими элементами (Алифиров и др., 2007 в). При отборе проб по истечении месяца с момента заложения опыта было отмечено, что в контрольной емкости, содержащей только жидкий свиной навоз, на поверхности субстрата сформировалась довольно плотная корка. Сам навоз имел насыщенный зеленоватый цвет и характерный запах. В опытной же емкости, содержащей кроме навоза еще и фосфогипс, корка на поверхности субстрата отсутствовала, была заметна бактериальная пленка на поверхности жидкости, а запах пропадал на 2-3-й день. Через 1-2 месяца с момента заложения опыта было отмечено, что в опытной емкости активно идут процессы брожения, о чем свидетельствовало интенсивное выделение молекулярного азота; сам субстрат стал более прозрачным, запах свежего свиного навоза отсутствовал и корки не образовывалось. Реакция среды (рН) в контрольном варианте через месяц составляла 7,4, тогда как с добавлением фосфогипса несколько ниже – 7,2. После двух месяцев с момента заложения опыта реакция среды в опытном варианте снизилась до 6,8-7,0, что связано с кислой средой отхода химического производства (рН фосфогипса 3,0-3,5). Численность энтеробактерий на начало проведения исследований в опытном и контрольном вариантах была одинакова, а уже через два месяца в опыте титр энтеробактерий снизился до уровня, позволяющего вносить данные стоки в почву без ограничений (101), а в контроле остался по-прежнему высоким (К3). На момент закладки опыта варианты по своим паразитологическим свойствам не удовлетворяли существующим требованиям из-за высокого содержания в них яиц гельминтов: в контроле – 34, в 303 опыте – 28 шт./л. Через месяц после закладки опыта численность яиц гельминтов в жидкой фракции контроля осталась прежней, а в опытном варианте уменьшилась до допустимого уровня (менее 1 шт./л), что связано, очевидно, с осаждением яиц фосфогипсом в твердую фракцию. Результаты проведенных исследований показывают, что предложенная схема обеззараживания свиноводческих стоков достаточно успешно работает. По истечении 1-2 месяцев с начала проведения исследований в опытной емкости произошло осаждение взвешенных частиц, активизировались процессы брожения, которые способствовали снижению интенсивности неприятного запаха. Внесение фосфогипса способствовало осаждению яиц гельминтов и, следовательно, снижению их численности в жидкой фракции с последующим сосредоточением в осадке. Заявленный способ весьма прост, позволяет за короткий срок, в течение 1-2 месяцев, получить обеззараженное жидкое удобрение из свиноводческих стоков, которое целесообразно использовать в сельском хозяйстве для полива сельскохозяйственных культур, а твердую часть (осадок) в дальнейшем можно выбирать и компостировать отдельно. Использование минеральных отходов при обработке навозных стоков животноводческих комплексов позволяет существенно улучшить их очистку и использовать для применения органических удобрений при поливе жидкой частью, а также в качестве твердой части обработанных компостов. 304 ГЛАВА 13. СЛОЖНЫЙ КОМПОСТ И КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА И АЗОТА В АГРОЛАНДШАФТНЫХ СИСТЕМАХ COMPLEX COMPOST AND CIRCULATION OF NITROGEN AND CARBON AT THE AGROLANDSCAPE SYSTEMS Complex compost includes all elements of the periodic table and is valuable due to the complexity of its system. Among the elements forming a chemical composition of the complex compost can identify two most important, which are distinguishing a specific character of the interaction with each other and defining the basic processes of ensure vegetation of living system - is nitrogen and carbon. Nitrogen determines the rate of energy and connects with living forms of organic matter, includes at the part of protein and is a major element in determining the productivity of ecosystems. At the cycle of carbon take part of his organic forms and carbon dioxide, presenting the main factors the processes of respiration and photosynthesis. Сложный компост включает все элементы таблицы Менделеева и потому ценен комплексностью своего состава. Среди элементов, формирующих химический состав сложного компоста, можно выделить два наиважнейших, отличающихся своеобразием характера взаимодействия друг с другом и определяющих главные процессы обеспечения вегетации живых систем, – это углерод и азот. В круговороте углерода принимают участие его органические формы и углекислый газ, представляя основные факторы процессов дыхания и фотосинтеза. Азот определяет скорость энергообмена и связан с живыми формами органической материи, входит в состав белков и является основным элементом, определяющим продуктивность экосистем (Белюченко, 2013 з; 2014 д). Использование сложного компоста из смеси различных отходов под посев сельскохозяйственных культур в расчете 65-70 т/га оказывает существенное влияние на физические, химические и биологические свойства верхнего слоя почвы и вызывает заметную реакцию развития, включая продолжительность вегетации, урожайность и качество продукции изучаемых растений в севообороте в течение 5-6 лет вегетации. Например, на посевах озимой пшеницы в 305 наших опытах в ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района (Алифиров и др., 2007 г) удлинился период вегетации травостоя при недостатке влаги на 8-10 дней, а при достаточном увлажнении – до 10-15 дней. Это существенно повлияло на урожайность культуры, повысило качество еѐ зерна, выразившееся в концентрации органических веществ, включая количество белка (больше на 1,3-2,0%) и его качество, содержание клейковины (больше на 3,0-4,0%), полезных аминокислот, провитамина А, витаминов группы В, растворимых полисахаридов, улучшающих работу кишечника, биотина (витамин Н), укрепляющего иммунную систему организма, а также клетчатки, содержащей растворимое волокно (бетаглюкан), которое благоприятствует снижению в крови концентрации холестерина и снижению содержания минеральных элементов – кальция, марганца, серы, железа, калия, цинка, йода (Сорохтин, Ушаков, 1991). Указанные особенности реакции озимой пшеницы на внесение сложного компоста обусловили необходимость изучения различных свойств поверхностного слоя почвы (0-20 см) при его смешивании перед посевом изучаемой культуры. Внесение сложного компоста, в составе которого концентрируется большое количество кальция, серы, фосфора, ряда микроэлементов, благоприятно влияет на развитие посевов, усиливая образование придаточных корней, кущение побегов в период начального периода вегетации растений. Запасные вещества высеянных семян в варианте со сложным компостом расходуются на 25% экономнее, чем в варианте с перегноем и на 45% – по сравнению с водой. Масса остатков проросших семян озимой пшеницы в варианте со сложным компостом была на уровне контроля и заметно выше варианта с перегноем. Различия в прорастании семян пшеницы при их обваливании перед посевом в разных дисперсных средах указывают на возможность разработки способов ускорения прорастания и интенсификации развития посевов этой культуры на самом начальном этапе формировании урожая семян (Алифиров и др., 2007 г; Дзюба, Белюченко 2001). С целью изучения влияния отдельных сред на прорастание семян озимой пшеницы их замачивали на 4-5 мин в дистиллированной воде, а затем обваливали в почве, перегное, фосфогипсе и их смесях и помещали в чашки Петри на смоченную обычной водой фильтровальную бумагу. Всходы появились на 3-4-й день. Через 2 недели после всходов проанализировали проростки, определили 306 общую массу, отдельно массу корней и проростков. В варианте с фосфогипсом проростки пшеницы образовали наибольшую массу корней, доля которых составила 52%, превосходя по этому показателю остальные варианты опыта. Доля листовых образований в варианте с фосфогипсом была наименьшей (34%), с водой – 53, а с почвой – 47 и в смеси – 46%. Фосфогипс удлиняет период развития растений озимой пшеницы до кущения за счет усиленного развития корней, а затем и ветвления, формирования дополнительных придаточных побегов, и развития генеративной фазы. Кущение растений пшеницы в разреженном посеве (3 млн/га) было интенсивнее на 20% по сравнению с загущенным (5 млн/га), а число придаточных корней – больше на 30,5%. Сложный компост оказал заметное влияние на химический состав зерна озимой пшеницы (табл. 13.1). Таблица 13.1. Влияние сложного компоста на качество зерна озимой пшеницы Показатель Влажность Гумус,% рН Nобщ.,% NО3-, мг/кг Р2О5, мг/кг SO4-2, мг/кг CaO, мг/кг Протеин,% Клейковина,% Стекловидность,% ИДК, ед Углеводы, г/100 г Растворимые полисахариды, г/100 г Незаменимые аминокислоты, г/100 г Провитамин А, мг/100 г Витамины группы В, мг/100 г Биотин (витамин Н), мг/100 г Бетаглюкан (клетчатка с растворимым волокном), мг/100 г Сложный компост 14,0 3,4 6,8 0,35 61,15 112,4 125,2 0,138 12,8 19,7 43,4 63 20,4 6,7 9,8 0,9 0,8 0,5 3,4 307 Контроль 13,8 3,3 7,35 0,22 39,4 78,5 71,4 0,087 11,5 16,7 40,3 62 19,6 3,9 4,9 0,1 1,6 В варианте со сложным компостом качество зерна пшеницы было существенно выше, чем на контроле, например, по содержанию фосфора, кальция, серы, нитратов, аммония. Невысокое содержание тяжелых металлов в компосте влияния на урожайность и качество зерна не оказало. Весьма заметно повышалось содержание органических веществ в зерне пшеницы. (Белюченко и др., 2007 г; Муравьев и др., 2008 г; Белюченко, 2002). Сложный компост, включая практически все элементы органического и минерального комплексов земной и космической системы, имеет большое разнообразие количественного и качественного наборов отдельных веществ, физических и химических составляющих, отличающихся содержанием органических веществ – незаменимых аминокислот, витаминов и других соединений. В состав сложного компоста входят основные элементы состава почвы, и их участие в создании комплексной системы архиважно. Однако среди очень важных элементов, как уже указывалось выше, можно выделить наиважнейшие два, которые отличаются своеобразным характером взаимодействия друг с другом и определяют основные процессы развития живых систем и их функционирования – это углерод и азот. Остановимся сначала на анализе особенностей обмена углерода и его органических форм. Углерод. Важное место в оценке энергетического обмена сложных компостов, как важнейшего регулятора развития растений, занимает углерод, который по распространенности во Вселенной стоит на 3-м месте после водорода и гелия (Белюченко, Бозина, 2006). Углерод и его роль в развитии Земли. Углерод в живом организме – важнейший биогенный элемент, составляющий основу жизни на Земле, структурная единица огромного числа органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, а также многочисленные низкомолекулярные биологически активные вещества – витамины, гормоны, медиаторы и др.). Значительная часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счет окисления углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений. Всего 4 элемента – С, Н, N и О – составляют 98% общей массы жи- 308 вых организмов. Этим достигается экономичность в живой природе (Опарин, 1957; Вернадский, 1965). Согласно гипотезе А.И. Опарина (1957), первые органические соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками углерода служили метан СН4 и цианистый водород НСN, содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического углерода, за счет которого образуется все органическое вещество биосферы, стала двуокись углерода СО2, находящаяся в атмосфере, а также растворенная в природных водах в виде НСО-3 и СО32-. Наиболее мощный механизм усвоения углерода – фотосинтез – осуществляется повсеместно зелеными растениями (ежегодно ассимилируется около 100 млрд тонн СО2). Существует и эволюционно более древний способ усвоения СО2 – хемосинтез. В этом случае микроорганизмы используют не лучистую энергию Солнца, а энергию окисления неорганических соединений. Процессы микробиологического потребления СО2 используются в промышленности. Так, применение для биосинтеза белка и других питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве единственного источника углерода углеводороды нефти, – одна из важных современных научно-технических проблем. Содержание углерода в живых организмах в расчете на сухое вещество составляет 34,5-40% у водных растений и животных; 45,446,5% - у наземных растений и животных и 54% – у бактерий. Помимо основной функции – источника углерода – углекислый газ, растворенный в природных водах и в биологических жидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизненных процессов кислотности среды. В составе СаСО3 углерод образует наружный скелет беспозвоночных, а также содержится в кораллах, яичной скорлупе и т.д. Такие соединения, как НСN, CO, CCl4, преобладавшие в первичной атмосфере Земли, в дальнейшем, в процессе биологической эволюции, превратились в сильные антиметаболиты обмена веществ. Поскольку углеродистые соединения являются основой жизни на Земле, то изучение их возникновения следует начинать с начала формирования простейших органических веществ, которые являются важнейшей материальной основой жизни в современном еѐ пред309 ставлении, включая весь комплекс биологического обмена веществ. Появлению жизни предшествовало независимое от жизни (абиогенное) образование органических веществ, из которых простейшими являются углеводороды (Белюченко, Щербина, 2008). Водород составляет основу Вселенной и его количественно преобладает над всеми вместе взятыми элементами. Живая материя на Земле состоит на 98% из водорода, углерода, азота и кислорода, которые являются самыми распространенными элементами в Космосе (Белюченко, Бозина, 2006; Белюченко и др., 2007 б; Белюченко, 2002). Чрезвычайно важная роль углерода в возникновении жизни на Земле и ее дальнейшем развитии определяется совокупностью его физических и химических свойств, свойственных только этому элементу нашей планеты. Атом углерода состоит из ядра с четырьмя равноценными валентными электронами на внешней орбите, которые могут быть использованы в образовании связей с другими атомами, обеспечивая построение линейных, разветвленных и циклических углеродных скелетов. Специфическая способность атомов углерода соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей и циклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединений углерода, изучаемых органической химией. Уникальность строения атома углерода лежит в основе различных изомерных форм органических соединений (оптическая, геометрическая и т.д.), у которых проявляется степень окисления –4, +2, +4. При обычных условиях углерод химически инертен, но при повышенных температурах он соединяется со множеством элементов и потому легко вступает в контакт с различными веществами (Ферсман, 1937; Сорохтин, Ушаков, 1991). Следует подчеркнуть, что между атомами углерода и атомами других элементов образуются относительно прочные химические связи, которые могут быть одинарными, двойными и тройными. В определенных условиях эти связи легко разрываются в процессе синтеза или расщепления органических веществ. Для процессов синтеза и расщепления органических веществ природа остановилась в своем выборе именно на углероде. Попытаемся обосновать выбор этого элемента с учетом особенностей его поведения в различных средах и специфики взаимоотношений с представителями отдельных групп земных элементов. 310 Углерод (С) находится в периодической системе Д.И. Менделеева в 4-й главной группе 2-го периода; его атомный номер 6; атомная масса 12,011; имеет 2 стабильных изотопа 12С (98,89%) и 13 С (1,11%). Помимо стабильных изотопов углерода, в природе распространен радиоактивный изотоп 14С (Т1/2=5,6х103 лет); в организме человека его содержание составляет 0,1 мкКюри. Небольшие количества 14С (около 2х10-10%) образуются в верхних слоях атмосферы при действии нейтронов космического излучения на изотоп 14N. Определение удельной активности в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии (Ферсман, 1937). Известно 4 аллотропных модификации углерода, существующего в форме четырех простых веществ: алмаз, графит, карбин и лонсдейлит. Алмаз является очень твердым кристаллическим веществом с атомной координационной кубической решеткой. Графит – слоистое кристаллическое вещество с гексагональной структурой. Получаемый при термическом разложении органических соединений черный графит, или уголь, представляет собой тонкоизмельченный графит. Технически наиболее важными сортами черного графита являются кокс, древесный уголь, животный уголь и сажа. Карбин получен искусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошок черного цвета. Его решетка гексагональная, построена из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу. Строение карбина: (-СС-СС-СС-)n. Лонсдейлит найден в метеоритах. Его структура и строение не установлены. Сочетание атомов углерода разных гибридных состояний в единой полимерной структуре обусловливает множество аморфных форм углерода, например, стеклоуглерод и другие (Сорохтин, Ушаков, 1991). В земной коре углерод находится в составе карбонатных минералов (прежде всего СаСО3 и MgСО3), каменного угля, нефти, в виде графита и реже алмаза. Примерно 10% добываемого углерода в виде угля и нефти используется для получения пластмасс и т.д. Остальной добываемый углерод используется на топливо. Химическая активность убывает в ряду: "аморфный" углерод, графит, алмаз. Горение углерода в этом же ряду происходит при температурах 300-500; 600-700 и 850-1000оС соответственно с образованием двуокиси углерода СО2 и окиси углерода СО. СО2 раство311 ряется в воде с образованием угольной кислоты. В 1906 году Дильс получил недоокись углерода С3О2. Все формы углерода устойчивы к щелочам и кислотам и медленно окисляются только очень сильными окислителями (хромовая смесь, концентрированные HNO3, KСlO3 и т.п.). Галогениды углерода синтезируют косвенным путем. Из оксигалогенидов углерода наиболее известна хлорокись СОСl2 (фосген). С водородом углерод реагирует при температурах от 600 до 2000оС. При этом образуются метан СН4, ацетилен С2Н2, а также бензол С6Н6 и другие углеводороды. При взаимодействии серы с углеродом при 700-800оС образуется СS2 – сероуглерод. Другие сернистые соединения углерода – сероокись СОS, тиоокись CS, тионедоокись С3S2, тиофосген СSCl2 – получают косвенными методами (Белюченко, Бозина, 2006; Белюченко и др., 2007б). Взаимодействие углерода с азотом происходит при пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота. При этом образуется (CN)2 – циан. Среди азотсодержащих соединений большое значение имеет НСN – синильная кислота и ее многочисленные производные: цианиды, галогенцианы, нитрилы и др. Углерод при нагревании с металлами выше 1000оС образует карбиды. Все формы углерода восстанавливают оксиды металлов до свободных металлов, нерастворимы в обычных растворителях, а растворяются в некоторых расплавленных металлах (Fe, Ni, Cо). Углерод возникает в процессе постоянного звездного излучения, и потому соединения водорода и углерода широко распространены в Космосе при большом диапазоне температур и гравитации. Например, метан (простейший углеводород СН4) широко представлен на звездах, где гравитация высока, а температура поверхности превышает тысячи градусов. Углеводороды обнаружены в атмосфере Солнца, а также на многих планетах, в том числе в условиях низкой гравитации и очень низкой (близкой к абсолютному нулю) температуры. Метан также обнаружен в космических газопылевых скоплениях, богатых цианидами и легкими углеводородами. Он входит в состав комет, формирующихся за пределами орбиты Плутона (практически в зоне межзвездной среды). Большое количество метана обнаружено в атмосферах Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и их небольших спутников (например, Титана). 312 Углеродистые соединения содержатся и в метеоритах, которые являются одними из немногих неземных объектов, исследуемых химически и минералогически. При этом установлено большое сходство веществ метеоритов и материала, из которого образовалась Земля. Допускается, что метеориты формировались в Солнечной системе между орбитами Марса и Юпитера в зоне астероидов. Различия в составе и строении метеоритов обусловлены, очевидно, разнообразными условиями их формирования (Вернадский, 1965; Белюченко, Бозина, 2006). Особый интерес представляют углистые хондриты – метеориты с содержанием углерода до 4,8%, имеющие связанную с минералами воду. В составе хондритов обнаружены полимеризованные органические соединения (в основном алифатические углеводороды с линейными цепями и их сернистые и кислородные производные – органические кислоты, ароматические соединения и т.д.). Рядом авторов допускается биогенное происхождение органического вещества на метеоритах, обусловленное остатками организмов, обитавших когда-то на этих образованиях. Другие авторы подчеркивают абиогенный характер происхождения органических веществ на метеоритах, на которых, скорее всего, только в силу отсутствия свободной воды жизнь не могла возникнуть. Многие авторы высказывают идею синтеза большого количества органических веществ в Космосе на частицах материнской космической пыли еще до образования Земли (Опарин, 1957). В настоящее время на Земле углерод является главной составной частью живой материи. Следует подчеркнуть, что уникальная роль углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает никакой другой элемент периодической системы (Белюченко, Бозина, 2006). Источниками оксиуглерода в сложном компосте являются выделения организмов, фотодиссоциация СО2, ряд фотохимических реакций в процессе развития растений и т.д. Основным источником углерода для сложного компоста является СО2, который генерируется в нем в основном живыми организмами при дыхании (животными и микроорганизмами) и получается в процессе разложения органического вещества. Восстановление и окисление этого элемента проходит через дыхание и фотосинтез в живых организмах и является основой су313 ществующей жизни на Земле. Именно процессы восстановления и окисления были решающими в образовании биосферы, определили важнейшие изменения в составе атмосферы и тропосферы, изменили климат и стали детерминирующим фактором в эволюции земного шара на протяжении всей его истории. Расцвет в силуре фотосинтезирующих водорослей следует считать точкой начального отсчета, когда углекислота атмосферы СО2 после еѐ восстановления до органического углерода начала откладываться в геологических пластах. В карбоне и перми этот процесс проходил с наибольшей интенсивностью в результате появления на суше сосудистых растений; в этот отрезок времени возникли огромные залежи органического топлива, изменился состав атмосферы, обогащенной кислородом, что обусловило дальнейшее развитие всего живого на планете. С карбона определилось преобладание восстановительных процессов по сравнению с процессами окисления, и деятельность человека внесла изменение в их соотношение. Чрезмерное расходование органического топлива минувших эпох усилило процессы окисления углерода и снизило интенсивность процессов его восстановления в результате загрязнения окружающей среды и экстенсивной эксплуатации растительных ресурсов. Отмечается далеко идущее вмешательство человека, ускоряющее и изменяющее направленность круговорота углерода, что приводит к глубоким изменениям во всей толще тропосферы (Белюченко, Бозина, 2006; Белюченко и др., 2007а). Карбонатные ионы (CO3-2, HCO3-) и их соединения с ионами кальция растворяет вода, и в результате углерод осаждается в виде СаСО3, выключаясь таким образом из биологического круговорота. Исключение углерода из биологического малого круговорота обусловило формирование нефти, углей, горючих сланцев, органических веществ осадочных пород и гумуса (торф, почва). Баланс углекислоты не только поддерживается, но и наблюдается еѐ накопление, что способствует усилению парникового эффекта. Связывают этот феномен с потреблением органического топлива – газа, нефти, угля, а также с деградацией гумуса в связи с осушением торфяников, распашкой целинных почв, расширением орошения и аридизацией огромных территорий, обусловивших целый комплекс негативных влияний. 314 Большие запасы углерода при смешивании различных органических отходов концентрируются в сложном компосте в органической и карбонатной формах примерно поровну. За период формирования сложного компоста (летом в течение 4-5 месяцев) с осадками на его поверхность поступает до 1,5 тыс. кг углерода в расчете на 1 га, а вместе с добавками органических веществ (остатки урожая, опавшие листья и т.д.) откладывается до 2,5 тыс. кг/га. Углерод содержится в основном в гумусе, где его количество в зависимости от географической зоны разное и определяется условиями разложения органического вещества. Если условия неблагоприятны, даже при большой массе органического вещества в почве гумуса образуется мало и он минерализуется с выделением СО2; дыхание сложного компоста весьма существенное за счет бактерий, актиномицетов, грибов, почвенных беспозвоночных (Белюченко и др., 1999; Белюченко, 2004; Белюченко, Щербина, 2008). В круговороте углерода в верхнем слое почвы с участием сложного компоста принимают участие органические формы вещества и углекислый газ, составляя основные продукты дыхания и фотосинтеза. Органический углерод, ассимилированный организмами, полностью включается в различные формы углеводов, а выделяемый в процессе дыхания превращается в углекислый газ (Белюченко, Гукалов, 2011). Органическое вещество в сложном компосте частично расходуется на энергетические нужды (при дыхании и минерализации органического вещества двуокись углерода вновь выделяется в атмосферу), а другая часть расходуется на продуктивность автотрофов, что составляет примерно 30-35% общей массы, участвующей в цикле углерода. Органическое вещество автотрофов потребляется гетеротрофами, которые в свою очередь используются другими гетеротрофами, и основная часть его расходуется на энергетические нужды, а значительное количество углекислоты возвращается в атмосферу; в гетеротрофном цикле его концентрация ничтожно мала – до 1% изначальной величины. Антропогенное влияние на круговорот углерода в сложном компосте очень велико (Белюченко и др., 2012 в). Соединения углерода в сложном компосте, подвергающиеся минерализации микроорганизмами, широко представлены за исключением гумуса (в основном целлюлоза, лигнин, высокомолеку315 лярные углеводы и др.), а также природными и синтетическими (полиэтилен) полимерами. Микроорганизмы в сложном компосте используют простые соединения углерода различного строения: низкомолекулярные углеводороды С2Н6, С2Н2, СН4, СО2, парафины и другие, которые микроорганизмы не используют для своего развития. Все микроорганизмы в своем метаболизме используют диоксид углерода. Во всех типах сложных компостов развиваются бактерии, образующие метан (СН4) и выполняющие важную функцию в трансформации органических веществ, являясь основным звеном в их аэробном разложении и круговороте углерода (Белюченко, 2011 г). Процессы восстановления и окисления углерода (дыхание и фотосинтез) являются основой современной жизни на Земле, они были решающими в образовании биосферы и привели к величайшим изменениям в составе атмосферы и тропосферы, что привело к изменению климата, и стали детерминирующим фактором эволюции земного мира на протяжении всей его истории. Появление, скорее всего, фотосинтезирующих синезеленых водорослей в архее следует считать начальным отсчетом, когда углекислота атмосферы (CО2) после еѐ восстановления до органического углерода начала откладываться в геологических пластах. В карбоне и пермском периодах этот процесс проходил с наибольшей интенсивностью в результате массового развития на суше сосудистых растений; в этот период времени возникли огромные залежи органического топлива, произошло изменение состава атмосферы – обогащение еѐ кислородом, что обусловило дальнейшее эволюционное развитие всего живого на планете. С карбона и до наших дней установилось подавляющее превосходство восстановительных процессов по сравнению с процессами окисления, хотя деятельность человека внесла определенное изменение в их соотношение. Чрезмерное расходование органического топлива, накопленного за минувшие экологические эпохи, обусловило усиление процессов окисления углерода и постоянное снижение интенсивности процессов восстановления углерода в результате загрязнения окружающей среды и экстенсивной эксплуатации растительных ресурсов (в первую очередь леса). Иными словами, наблюдается далеко идущее вмешательство человека, ускоряющего и изменяющего направленность круговорота углерода, что, без 316 сомнения, приведет к глубоким изменениям во всей толще тропосферы (Whittaker et al, 1973). Азот. Среди элементов, определяющих скорость энергообмена в сложном компосте, особо выделяется азот, который весьма активно связан с живыми формами органической материи и входит в состав их белков и нукдеиновых кислот, являясь важнейшим элементом, определяющим продуктивность агроландшафтов. Ресурсы доступных растениям форм азота весьма ограничены интенсивностью синтеза его простыми организмами – преимущественно бактериями. Возможности восстановления молекулярного атмосферного азота N2 и скорость разложения и минерализации органического вещества обеспечивают именно бактерии. Человек искусственно создает азотные удобрения, компенсирующие постоянный вынос азота с урожаем. Производство азотных удобрений в мире столь велико, что в количественном отношении они сравнимы с биологическим синтезом на планете. Применение высоких доз азота обусловило ряд отрицательных явлений (загрязнение грунтовых и поверхностных вод нитратами, снижение биологического синтеза азота и т.д.). Круговорот азота в сложном компосте осуществляется только микроорганизмами, преимущественно бактериями, в основном в процессе азотфиксации, нитрификации и денитрификации. Основную роль в поддержании азотного баланса в сложном компосте играет микробиологическая фиксация молекулярного азота, сохраняющая основное положение в агроэкосистемах с применением азотных удобрений. На биологическую роль азота в урожае сельхозкультур приходится около 2/3 от его общего содержания. Производство и потребление минеральных азотных удобрений создало широкий круг проблем, из которых выделяются две – экологическая и экономическая (энергетическая). Экологический аспект проблемы создания и применения высоких доз азотных удобрений обусловлен физиологическими особенностями роста растений, которые не могут сразу усвоить большое количество азота и производить его накопление в запас. Например, ряд биофильных элементов (углерод, фосфор, калий, кальций и др.) в живой клетке растений в виде различных соединений запасается в резерв, но для азота такой запас в растениях не предусмотрен. Поддерживать азот в прикорневой зоне в виде частых под317 кормок сложно и дорого. Именно поэтому коэффициент использования азота удобрений растениями остается низким, и основная его часть попадает в водоемы (инфильтрация) и в атмосферу (N2), что усиливает эвтрофикацию биологического и химического состояния водоѐмов, усложняет проявление парникового эффекта, разрушает озоновый экран Земли (Белюченко, Бережная, 2012). Экономический интерес с учетом затрат на производство, транспортировку, хранение и внесение этих удобрений растет быстрее по сравнению с повышением урожаев сельскохозяйственных культур. Например, повышение урожая с 25 до 45-50 ц/га на Кубани требует повышения затрат примерно в 10 раз, из которых 45-50% идет на синтез и применение азотных удобрений. Тем не менее отложение азота непосредственно в субстрате (например, внесение в сложном компосте медленно разлагающихся органических веществ) имеет пока ограниченное применение (Муравьев, Белюченко, 2006). Основной интерес сегодня направлен на биологический азот – как экологически чистый путь снабжения растений этим элементом, почти исключающий загрязнение окружающей среды. Фиксация азота микроорганизмами осуществляется за счет энергии солнца, что существенно сокращает энергозатраты. Роль азотфиксации в азотном балансе обеспечивается способностью к ней многих бактерий разных таксономических и эколого-физиологических групп. До недавнего времени считалось, что фиксировать молекулярный N2 может лишь небольшое число таксонов высокоспециализированных бактерий (например, азотобактер, клубеньковые бактерии, клостридии, некоторые бациллы и т.д.) (Белюченко, 2014 з; д). В настоящее время известно, что азотфиксирующая способность реально выявлена практически у всех групп бактерий (автотрофов и гетеротрофов, споровых и неспоровых, почкующихся и трихомных, мицелиальных, эубактерий и архебактерий). Эти группы весьма значимо представлены в почвах и, безусловно, в хорошо сформированных сложных компостах. Именно это позволяет заключить, что в азотном балансе биосферы основная роль отводится микробной азотфиксации наземными экосистемами (Белюченко и др., 2007 б). Считается, что в умеренной климатической зоне за счет азотфиксации связывается около 30-50 кг N2 на 1 га, а в тропической зоне еѐ продуктивность доходит до 100 кг N2/га и больше. В связи с этим стали очевидны источники азота, определяющие азотный ба318 ланс. Биологическая продуктивность климаксных систем (тайга, луговая степь и др.) в принципе остается неизменной, хотя потери азота в результате микробиологической трансформации определяют волнообразные сдвиги. Биологическая трансформация азота разнообразными микроорганизмами, кроме фиксации азота, включает активно протекающий процесс соединения кислотной части серной кислоты (SO4-2) из CaSO4 и аммиака (NH3) с образованием в результате аммонификации сернокислого аммония (NH4)2SO4. Внесение сложного компоста в почву, наряду с обогащением верхнего слоя органическим веществом, а еще и аммиаком полуперепревшего навоза КРС или свиного и сернокислым кальцием минеральных отходов, усиливает процесс нитрификации. В динамике азота в сложном компосте выделяются нитрификация и денитрификация, которые осуществляются микроорганизмами (Белюченко, 2014 г). Денитрификация представляет собой окисление органических соединений бактериями при использовании ими нитратов и нитритов и является одним из наиболее распространенных процессов в почве и в сложном компосте с образованием на завершающем этапе закиси и молекулярного азота N2. Денитрификацию осуществляет широкий круг прокариот (главным образом, бактерии и одноклеточные водоросли). Подсчеты численности бактерий показали, что примерно ¾ из них в сложном компосте являются денитрификаторами. Потери нитратного азота в виде N2O в сложном компосте составляют в общей сложности примерно 7-8%. Основным фондом азота для сложного компоста всегда выступает атмосфера, хотя многие из еѐ организмов ассимилировать азот из этого источника мало способны. Большие возможности использования азотсодержащих соединений в сложном компосте осуществляются специфическими формами микроорганизмов, после чего неорганические соединения азота становятся легкодоступными для организмов. Основная масса азота в сложном компосте содержится в детрите, и лишь небольшая часть в форме аммиака и нитратов концентрируется на переходных ступенях распада белковых соединений. Круговорот азота в сложном компосте сопровождается постепенным распадом органических соединений, осуществляемых массой различных организмов (грибы, бактерии, актиномицеты, одно319 клеточные водоросли), с переходом органического вещества на конечном этапе в нитратные формы. Наиболее активно организмами сложного компоста поглощается азот, содержащийся в форме аммиака NH3 и иона аммония NH4+, трансформация которых в органических соединениях проходит сравнительно короткий, но достаточно активный путь (Белюченко, 2012 в; 2014 в). Если аммиак концентрируется в сложном компосте в большом количестве, то он не может использоваться в качестве источника снабжения растений азотом. При поливе или выпадении дождя аммиак растворяется в воде и вымывается из сложного компоста. Аммиак, фиксируемый некоторыми минералами, полностью не вымывается. Под воздействием бактерий азот аммиака окисляется до нитратов NО3- и нитритов NО2-, которые в силу их отрицательного заряда не присоединяются к гумусовому комплексу и легко вымываются, если корни растений при внесении сложного компоста в почву не успевают их ассимилировать (Муравьев, Белюченко, 2008 а, б). Основные запасы азота в сложном компосте заключены главным образом в органическом детрите. При внесении в почву азот сложного компоста претерпевает циклическое превращение (из нитратов и нитритов в аммиак и аминокислоты и обратно). Из аммонийных солей в сложном компосте азот переходит в нитраты (нитрификация), которые хорошо используются растениями при его внесении в почву. Азотсодержащие вещества проходят разнообразные биохимические превращения в сложном компосте, что связано со способностью азота вступать в реакцию с другими соединениями (Опарин, 1957). Важным процессом в круговороте азота является распад органических азотсодержащих соединений в результате аммонификации и денитрификации, а также восстановления нитратов и нитритов до молекул азота (N2) и его выходе в атмосферу (денитрификация). Важное место в круговороте азота в сложном компосте занимают биологические процессы ассимиляции атмосферного азота через его фиксацию микроорганизмами. При разложении органических соединений (аммонификация) в сложном компосте накапливаются соли аммония, а при доступе кислорода, особенно в верхних его слоях, образуется аммиак, углекислота, метан, а также водород и вода. Круговорот азота в сложном компосте может частично преры320 ваться живыми организмами, а другая часть азота под действием бактерий превращается в газообразный азот с его возвращением в атмосферу. Денитрификаторы активны в сложном компосте, богатом азотом и углеродом. Процесс денитрификации в сложном компосте способствует удалению азота из круговорота в атмосферу и в процессе своей фиксации возвращается в активный фонд (Белюченко и др., 2007 а, б). Роль процесса нитрификации в фиксации азота в его круговоротах и в сложном компосте весьма существенна. На интенсивность нитрификации большое влияние оказывает технология приготовления сложного компоста. Например, при периодическом перемешивании массы сложного компоста нитратного азота накапливается примерно в 1,5 раза больше, чем если смесь хранится все время в бурте. В процессе нитрификации на динамику азота оказывают влияние хлорорганические химикаты, а также нефтяные выбросы, угнетающие деятельность микрофлоры. При некоторых условиях угнетающее влияние на процессы нитрификации оказывают повышенные дозы фосфорорганических соединений. В сложном компосте процесс нитрификации является важнейшим в круговороте азота, поскольку именно он определяет скорость перехода этого элемента в доступную для организмов форму, влияя тем самым на их продуктивность. Любые условия, негативно влияющие на деятельность нитрифицирующих бактерий, отрицательно сказываются на процессах нитрификации (Белюченко и др., 2007 б; Белюченко, Щербина, 2008). Если в детрите сложного компоста содержание азота по сравнению с углеродом невелико, то бактерии используют его на построение своего тела и он оказывается связанным и недоступен для растений. На скорость разложения нитритов оказывает влияние соотношение С:N на уровне 25. Разложение нитритов идет интенсивно в силу высокой активности обильной микрофлоры. При высоком соотношении С:N (свыше 25) активность микрофлоры подавлена и разложение детрита идет медленно (Белюченко, 2008). Превращение нитратов в азот проходит ряд этапов в процессе денитрификации NO3 → больше NO2 → больше N2 с выделением кислорода, который используется бактериями Pseudomonas при их дыхании в случае недостатка азота в сложном компосте. Образуемые азот N2 и закись азота N2O выходят из фонда активного круго321 ворота азота и переходят в атмосферу. Возможен вариант денитрификации азота без участия бактерий, а только химическим путем. Процесс фиксации азота атмосферы в сложном компосте происходит при значительных затратах энергии. Например, бактерии Azotobaсter способны ассимилировать 8 атомов азота за счет химической энергии одной молекулы глюкозы С6H12O6 при весьма низкой эффективности биохимических преобразований (Белюченко, 2014 в). Азот в сложном компосте представлен рядом форм, которые постоянно трансформируются, но в основном в органической форме, в которой преобладают соединения, содержащие аминогруппу, на долю которой приходится свыше 90% его общей массы. Азот не ассоциируется с глинистыми минералами. Некоторые глинистые минералы адсорбируют азот в небольших количествах в форме аммония (NH4+). Гумус в сложном компосте является основным хранилищем азота, а также фосфора, серы, кальция и магния; гумус содержит 45-55% углерода и около 5% азота при соотношении (C:N) примерно 12:1, а в нижней части бурта– 8-10:1. В процессе минерализации органического вещества образуется аммиак, а затем и аммоний. Нитрифицирующие бактерии преобразуют аммоний в нитраты. В процессе иммобилизации NH4+ и NО3превращаются организмами (микроорганизмы, одноклеточные водоросли и др.) в органический азот. В процессе денитрификации значительная часть нитратов (NО3-) переходит в молекулярный азот (N2) и в оксид азота (N2O). При внесении в почву сложного компоста процессы минерализации органического вещества и трансформации азота существенно изменяются. Это хорошо прослеживается в лабораторных и полевых исследованиях при внесении сложного компоста в почву чернозема обыкновенного степной зоны края (Белюченко, 2008; Белюченко, Щербина, 2008). При внесении сложного компоста содержание азота в слое почвы 0-20 см через 2 месяца после посева озимой пшеницы снижается на 7,2% (табл. 13.2) и на 5,7% повышается количество Р2О5. Усиление минерального компонента (фосфогипс) повышает процесс гумусонакопления: за 2 года вегетации растений его содержание увеличилось на 0,11%, масса гумуса на контроле снизилась на 0,05%. Таблица 13.2. Содержание общего азота в почве по вариантам опыта 322 Вариант опыта Контроль (N80P80) N80P80 + полуперепревший навоз Сложный компост Апрель 11,3 Азот общий, мг/100 г почвы Май Июнь 11,8 10,9 12,8 13,7 11,3 10,9 14,1 13,2 Доля гуминовых кислот в варианте со сложным компостом снижается на 7-11% и связана с их закреплением в почве в форме гумата кальция. Внесение в почву сложного компоста повышает в еѐ верхнем слое содержание обменного кальция на 10-12%; на контроле содержание кальция, наоборот, снизилось на 8-10%. Сложный компост поддерживает уровень гумуса в почве, повышает в слое 020 см количество водопрочных агрегатов по сравнению с контролем: на контроле их доля составила в среднем 67,6% и снизилась на 7,2% по сравнению с началом опыта, а в варианте с NPK доля водопрочных агрегатов составила 74,8%, или на 11,6% меньше, чем в варианте со сложным компостом, где этот показатель составил 79,4%. Сложный компост способствует при его внесении в почву усилению биологической активности субстрата: численность микроорганизмов, использующих органические формы азота, на 1 г почвы увеличилось на 9,7% и на 7,8% повысилась численность микроорганизмов, ассимилирующих минеральный азот. Корреляция между количеством микроорганизмов на питательных средах и содержанием нитратного азота высокая. Внесение сложного компоста повышает численность актиномицетов примерно на 10,7% и целлюлозоразрушающих микроорганизмов – на 16,3% (в основном за счет увеличения популяций рода Pseudomonas), на 8,4% увеличивается число колоний азотобактера. Сложный компост усиливает ферментативную активность почвы и благоприятствует интенсификации превращений свежего органического вещества, что весьма четко просматривается на примере разложения послеуборочных остатков стеблей кукурузы. Этот процесс мы связываем с увеличением численности микроскопических грибов, чему способствовало повышение концентрации Р2О5 в верхнем слое почвы (Белюченко, 2013 б). Экономия расхода органического азота в сложном компосте определяется защитой и снижением скорости разложения еѐ орга323 нического вещества. Экономия минерального азота (внесенного со сложным компостом), на наш взгляд, связана с частичным его переходом в макро- и микроагрегаты, что снижает активность окислительно-восстановительных процессов, особенно нитрификации и денитрификации микроорганизмами, и уменьшает его вынос инфильтрационным стоком, а также выделение в атмосферу молекулярного азота. Компостирование, например, фосфогипса и органических отходов способствует диссоциации сернокислого кальция (CaSO4) и взаимодействию его кислотного остатка (SO4-2) с ионом аммония с образованием сульфата аммония (NH4)2SO4. Внесение в сложный компост фосфогипса сокращает дозу чистого азота под озимую пшеницу до 40 кг/га без ущерба для урожая и его качества. Внесение сложного компоста в почву ускоряет и усиливает развитие корневых систем злаков и особенно у озимой пшеницы: в фазе кущения число придаточных корней у растений в варианте со сложным компостом превышало 10, а на контроле – не более 7-8 штук на 1 особь. У многих растений озимой пшеницы, особенно при глубине посева 6-7 см, формируется два яруса мочковатых корней – в зоне колеоптильной почки, которые, как правило, трогаются в рост первыми, а также в зоне первой узловой почки зоны кущения, где каждый побег формирует свою зону побегообразования. В варианте без сложного компоста мочковатые корни образуются только в базальной части, начиная с первой настоящей почки (Белюченко, 2013 д). Внесение сложного компоста повышает долю используемых растениями кукурузы азотных удобрений на 30,1-32,2%, а также положительно влияет в целом на формирование вегетативной массы, повышает в растениях кукурузы содержание азота на 9,4% и снижает количество нитратов в зерне на 20,7%; одновременно повышается роль аммонифицирующих, нитрифицирующих и целлюлозоразрушающих микроорганизмов (табл. 13.3). Таблица 13.3. Влияние сложного компоста на численность трофических групп почвенных микроорганизмов Вариант Амилолитические, Аммонифицирую- Коэф- Нит- Уровень потенциальной Олигофици- рифи- активности микрофлотрофент цирую ры,% ные, 324 кл/г х 106 Контроль (NP) P + полуперепре вший навоз NP +сложный компост 115 щие, кл/г х 106 105 минерализации 0,9 рующие, титр 10-5 азотфиксирующей 62 целлюлозоразрушающей 61 КОЕ/г х 105 154 80 1,2 10-5 74 82 30 110 70 0,6 10-4 82 93 18 21 Определение в почве различных трофических групп микроорганизмов показало, что внесение в почву сложного компоста способствовало изменению активности нитрифицирующих, аммонифицирующих и аминоавтотрофных групп, а также микромицетов (табл. 13.4). Таблица 13.4. Влияние сложного компоста на численность основных функциональных групп почвенных микроорганизмов (вегетационный опыт) Вариант опыта Контроль (почва) Почва + сложный компост Аммонифицирующие, КОЕх106 Аминоавтотрофные, КОЕ х10б Нитрифицирующие, КОЕх106 Олиготрофные, КОЕ х106 Микромицеты, КОЕ х104 185 194 157 73 2 228 205 128 81 6 Некоторое снижение численности аминоавтотрофных и нитрифицирующих групп при добавлении в почву сложного компоста мы рассматриваем как следствие замедления процессов аммонификации и нитрификации за счет более эффективного использования азота микроорганизмами и растениями и снижения активности денитрифицирующей группы. Влияние сложного компоста на активность процесса денитрификации весьма заметно проявилось в полевом опыте в колхозе «Заветы Ильича» Ленинградского района в 2005-2007 гг. (табл. 13.5). 325 Таблица13.5. Активность денитрификации азота по вариантам опыта Вариант Залежь Технология обычная Сложный компост Уровень разбавления 2005 г. 2006 г. 2007 г. 10-2 10-2 10-2 -5 -6 -6 10 -10 10 10-5 -3 -4 -3 10 -10 10 10-3 Полученные данные показывают, что внесение сложного компоста заметно сдерживает развитие процессов денитрификации азота и по сравнению с обычной технологией сокращает его потери примерно в 1,3-1,5 раза. Такие исследования представляются важными с практической точки зрения. При реальном снижении потерь азота из почвы всего на 10% за счет внесения сложного компоста легко представить себе экологический и экономический эффект от внедрения такой технологии (Белюченко, 2013 г). При внесении сложного компоста происходит консервация азота в аммонийной форме, снижаются его потери, вызываемые денитрификацией и вымыванием нитратов. Пшеница использует аммиачную и нитратную формы азота; еѐ молодые растения интенсивнее поглощают NH4+, а в более поздней фазе активно используется NO3-. Сложный компост улучшает условия питания растений азотом вследствие снижения непроизводительных его потерь, способствует сопряженному поступлению в растения азота и фосфора. При формировании большого количества листьев содержание аммонийного азота в растениях уменьшается, а нитратного – повышается в связи с усилением активности нитрифицирующих бактерий. Во влажный период влияние сложного компоста гораздо эффективнее, чем в засушливый, в связи с замедлением процессов нитрификации при засухе, когда азот остается закрепленным в органическом веществе. Пониженная температура весной сдерживает процессы нитрификации и денитрификации азота в почве, что снижает его потери. В течение первого месяца вегетации растения интенсивно используют азот удобрений и меньше – азот почвы; в дальнейшем, наоборот, усваивается больше азота почвы и меньше сложного компоста, а спустя 1,5-2,0 месяца после появления всходов азота удобрений в почве практически не обнаруживается; до 326 конца вегетации растения преимущественно используют азот почвы и его содержание в растении повышается (Белюченко, 2014 г). Для снижения количества нитратов в корнях и в зерне необходимо использовать аммонийный азот, что уменьшает вероятность накопления этой формы азота в продукции. Применение сложного компоста сдерживает процессы нитрификации и денитрификации и способствует экономному расходованию почвенного азота. Сложный компост снижает, таким образом, долю почвенных нитратов, уменьшает потребление азота удобрений и опасность накопления нитратов в растениеводческой продукции, что, естественно, сокращает загрязнение окружающей среды нитратами. Сложный компост при его внесении в почву оптимизирует баланс питания растений микро- и макроэлементами (Мельник, Славгородская, 2013). На основании проведенных исследований можно заключить, что внесение сложного компоста существенно влияет на динамику азота в почве, содержание которого на ранних этапах развития озимой пшеницы снижается, а с переходом растений в фазу кущения усиливается в связи с активизацией процессов минерализации органического вещества и повышением в почве доли аммиачного азота; в генеративной фазе растения в основном используют нитратный азот. В варианте со сложным компостом коэффициенты минерализации органического вещества и нитрификации азота уменьшаются, но существенно повышаются уровень азотфиксации и активность целлюлозоразрушающих микроорганизмов. Внесение сложного компоста в почву на фоне полного минерального удобрения стабилизирует в ней процессы аммонификации и нитрификации, что благоприятствует более эффективному использованию их растениями. Нитрификация в агроландшафтах степной зоны. Растениям недоступен большой запас газообразного азота, находящегося в воздухе, а из соединений азота, встречающихся в почве, они используют для питания в основном минеральные формы этого элемента. Несмотря на систематическое применение азотных удобрений, проблема азотного питания сельскохозяйственных культур на Кубани является весьма острой. Многие удобрения используются растениями неэффективно вследствие значительных их потерь (30-40%). 327 Основные потери азота удобрений из почвы происходят через нитратную форму и в виде газообразных продуктов, образуемых в процессе биологической и химической денитрификации (рис. 13.1). Обыкновенный чернозем обладает благоприятными свойствами для протекания процесса нитрификации. При больших нагрузках на агроландшафты и неэффективном использовании азотных удобрений в почвах усиливаются процессы минерализации гумуса, активны потери почвенного азота с выносом урожая и в связи с этим ухудшаются агрохимические свойства почв и активизируется их деградация. Вопросы динамики азота в агроландшафтах степной зоны края изучаются через процессы трансформации соединений и поиск путей управления данными процессами. Предварительные результаты исследований И.С. Белюченко и других авторов (2007) позволяют коротко обобщить вопросы нитрификации азота в степной зоне края. Основная часть процессов, за счет которых осуществляется миграция соединений азота в природе, протекает при участии микроорганизмов (рис. 13.2). Растения используют азот из минеральных форм, из органических веществ, включая гумус, после разложения микроорганизмами, а также за счет бактерийазотфиксаторов, связывающих молекулярный азот, поступающий в корни в форме аминокислот и аммония, из минеральных и органических удобрений, содержащих до 30% связанного азота. При ассоциативной азотфиксации азот накапливается микроорганизмами вместе с растениями и водорослями, эффект в таких ассоциациях связан с поступлением к бактериям от фотоавтотрофов доступных источников углерода и энергии в форме экссудатов листьев и корней, внеклеточных слизей цианобактерий, а также растительного опада. Ассоциативная азотфиксация составляет примерно до 25 кг N2 в год на 1 га в средней полосе и до 100 кг – в тропической зоне. 328 Атмосферный азот Азотфиксация (биологическая фиксация азота) – растения используют одно из 1) минеральных форм, 2) из органических веществ, включая гумус после его разложения микроорганизмами, 3) от бактерий– азотфиксаторов родов Azotobacter, Clostridium, Rhizobium, цианобактерий, актиномицетов и других, фиксирующих атмосферный азот; 4) в форме аммония и аминокислот, поступающих в клетки корня, 5) дополнительно получают азот из вносимых минеральных и органических удобрений в агроценозах. Аммонификация - азотсодержащие органические вещества растительных и животных разлагаются в почве аэробными и анаэробными бактериями (Pseudomonas, Bacillus, Clostridium), актиномицетами и грибами с образованием NH3 и его переводом в ион NH4+, поглощаемый растениями. Большое значение для процесса аммонификации имеет отношение C:N в разлагаемом субстрате; при C:N>25 разлагающийся азот иммобилизуется в клетках микроорганизмов, а при C:N<25 – выделяется аммиак. Велико значение мочевины, мочевой кислоты и хитина. Нитрификация - осуществляет первая группа нитритных бактерий: Nitrosomonas, Nitrococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosovibrio и вторая группа нитритных бактрий Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus, , морфологически разнообразны, мелкие, первичные. Рис. 13.1. Круговорот азота в природе 329 Денитрификация – сумма процессов, ведущих к частичному или полному восстановлению нитратов до нитритов, а затем газообразных форм азота NO, N2O, N2. Денитрификация поставляет в атмосферу ежегодно около 300 млн т азота, большая часть азота – потери из почвы. Восстановление нитратов до газообразных форм соединений азота идет при участии бактерий рода Pseudomonas Рис. 13.2. Примерное распределение в почве основных групп внесенных удобрений Симбиотическая ассоциация представляет важный резерв биологического азота в почве. Микробные симбионты проникают в ткани растений, образуя опухолевидные разрастания в форме клубеньков в основном на корнях. Наиболее распространена у бобовых растений, общее число видов которых составляет 1900, в сельском хозяйстве используется до 200 видов. Симбиотическая азотфиксация составляет в год до 300 кг/га. Используются клубеньковые бактерии также для обработки семян. В России выпускается промышленностью препарат ризоторфин – торфяной нитрагин, который используется для предпосевной обработки семян бобовых, в 1 г препарата содержится до 200 млн клеток бактерий, на 1 га необходимо 200 г ризоторфина. В черноземной почве азота содержится до 10 т/га, из которых до 99% находится в соединении с органическими веществами и недоступно для растений. Минерализация азотсодержащих органических веществ (белки и их производные: пептиды, аминокислоты, нуклеиновые кислоты и их дериваты – мочевина и мочевая кислота, пуриновые и пиримидиновые основания, гумусовые кислоты, азотсодержащий полисахарид хитин) с выделением аммиака (NH3) называется аммонификацией, имеет универсальный характер и осуществляется многими микроорганизмами в весьма различных условиях. Аммонификация белков является наиболее активным звеном в трансформации азота. Конечным продуктом внеклеточных превращений белков с участием различных протеаз бактерий и грибов являются 330 аминокислоты. В процессе аммонификации участвуют также актиномицеты и грибы. Для процесса аммонификации очень важно соотношение C:N в разлагаемом субстрате: чем оно меньше, чем выше эффект аммонификации, оцениваемый по доле NH3 от количества превращенного азота. На 100 г разложенного органического вещества бактерии используют на синтез белка 4 г азота (С:N = 25:1). Если в органическом веществе содержание азота меньше 4%, азот будет использован в клетках микроорганизмов, при его высоком содержании (С:N<25) будет выделяться аммиак (NH3), что наиболее ярко проявляется при использовании разных органических удобрений. Если отношение С:N в навозе низкое, то разложение навоза сопровождается накоплением аммиака. При внесении соломы значение С:N высокое, и потому еѐ внесение в почву без минеральных азотных удобрений ведет к иммобилизации азота и его закреплению в микробных клетках и азотному голоданию растений. Аммонификация нуклеиновых кислот способствует выделению аммиака при распаде пуриновых оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот. Аммонификация мочевины и мочевой кислоты, попадающих в почву с мочей млекопитающих, осуществляется почвенными грибами. На Земле в год образуется до 30 млн тонн мочевины, которая содержит 47% азота. Она представляет конечный продукт белкового обмена птиц, пресмыкающих, насекомых. Аммонификация хитина, представляющего азотсодержащий полисахарид и представляющий полимер ацетилглюкозамина, входит в состав клеточных стенок грибов и панцирных покровов беспозвоночных (Белюченко, 2008). Нитрификация осуществляется микроорганизмами– нитрификаторами, представленными двумя группами, каждая из которых проводит один из двух этапов окисления – сначала нитриты, затем нитраты. Первая группа нитритных бактерий представлена родами Nitrosomonas, Nitrococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosovibrio; вторая группа – нитратные бактерии: Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus. Бактерии обеих групп морфологически весьма разнообразны и представлены кокками, палочками, спирально изогнутыми клетками, все они граммотрицательны, в основном мелкие и подвижные за счет жгутиков. Нитрифицирующие бактерии – облигатные анаэробы с условиями роста 25-30оС и рН 7,5-8,0 (явление гетеротрофной нитрификации). 331 Гетеротрофная нитрификация происходит везде, где аммиак формируется в условиях обилия органических веществ (компостные кучи, аэротенки, эвтрофные водоемы). Автотрофная нитрификация, очевидно, уступает гетеротрофной. В виде нитратов растения используют до 30-45% вносимого азота, остальная часть закрепляется в составе органического и минерального вещества почвы, иммобилизуется в клетках микроорганизмов, восстанавливается до газообразных продуктов – закиси азота и N2, вымывается в грунтовые воды, а оттуда идѐт в реки и моря (миллионы тонн в год). Проблема нитрификации – еѐ подавление; предложены промышленные препараты ингибиторов нитрификации, синтезируемые на пиридиновой основе, что существенно (до 50-70%) повышает использование азотных удобрений. Препараты не действуют на гететрофную нитрификацию, а подавляют первую фазу автотрофной нитрификации. Использование сложного компоста существенно влияет на начало автотрофной нитрификации, сохраняя органическое вещество до 30% и экономя расход нитратов до 25%, что сказывается в целом на сохранении углеродно-азотного баланса в верхнем слое почвы (Белюченко, Бозина, 2006). Денитрификация охватывает в основном диссимиляционное восстановление окисленных форм азота и представляет собой процесс, обеспечивающий микроорганизмы энергией с потерей восстановленных соединений азота. Этот процесс протекает в анаэробных условиях и подавляется кислородом, функцию электронов в анаэробных условиях выполняют нитраты. Продукты денитрификации выделяются из клетки в газообразной форме в виде NO, N2O, N2 и зависят от вида микроорганизмов и условий среды. Денитрификация широко распространена в природе. В атмосферу ежегодно уходит около 300 млн тонн N2, что сопоставимо с азотфиксацией. Именно денитрификация является одной из причин неполного использования вносимых в почву азотных удобрений. Денитрификация положительно сказывается на очистке сточных вод, содержащих большое количество связанного азота, который не должен попасть в реки. Иными словами, для природы денитрификация – оздоровительный процесс, поскольку предохраняет грунтовые воды и водоемы от чрезмерного накопления в них нитратов, вымываемых из почв. Восстановление нитратов до аммония – более важный процесс, чем 332 образование N2 и N2O. Наша задача – раскрыть механизмы природных процессов и научиться их регулировать (Белюченко, Бозина, 2006). Основное количество (до 90%) всей фиксации молекулярного азота атмосферы осуществляется в процессе метаболической активности микроорганизмов. Организмами, способными его осуществлять, являются прокариоты (эубактерии и архебактерии). Микроорганизмы частью самостоятельно, а частью в симбиозе с высшими растениями превращают молекулярный азот в органические соединения. Содержащиеся в тканях животных и растений органические соединения, попадая в почву, подвергаются минерализации с образованием аммиака (аммонификация), осуществляемой обширными группами аэробных и анаэробных микроорганизмов: бактерий, актиномицетов, одноклеточных водорослей и плесневых грибов. Выделяющийся таким образом аммиак, формирующий соединения с органическими и минеральными кислотами и в форме NH4+, поглощается почвенными частицами. Образовавшийся в процессе разложения органических веществ (полуперепревший навоз, ОСВ и др.) аммиак быстро окисляется до азотистой (первая стадия нитрификации), а затем до азотной кислот (вторая стадия нитрификации); процесс носит биологический характер. Первая стадия осуществляется в основном бактериями рода Nitrosomonas, а вторая – рода Nitrobacter. Нитрификаторы являются бактериями, использующими энергию окисления аммиака или азотистой кислоты для синтеза органических веществ из CO2. В качестве источников азота данные бактерии используют аммоний, а другие виды ассимилируют также нитриты и нитраты (Белюченко, Бозина, 2006 б; Белюченко, 2014 и). Автотрофные нитрифицирующие бактерии весьма чувствительны к присутствию в среде легкоокисляемых органических веществ и способны развиваться только там, где они содержатся в небольших количествах. Нитрификаторы – облигатные анаэробы. Оптимальная температура для роста большинства нитрифицирующих бактерий составляет 25-30оС; pH среды для нитрификаторов пригодна в пределах 6,0-8,6 (оптимальное значение 7,5-8,0). Нитрификация осуществляется на цитоплазматических и внутрицитоплазматических мембранах, проходит в несколько этапов и отражается в виде следующей схемы: 333 NH3 Аммиак → NH2OH → NOH Гидроксиламин Нитроксил → ONOOH Пероксонитрит → NO-2 Нитрит → NO-3 Нитрат ↓ N2O Закись азота (нитритредукция) К нитрификации способны не только хемолитоавтотрофные бактерии, использующие энергию окисления аммиака, как считали раньше. Такое свойство проявляют и некоторые типичные гетеротрофные бактерии из родов Arthrobacter, Nocardia, Pseudomonas и др. и актиномицеты (Streptomyces). Известны грибы из родов Fusarium, Aspergillus, Cladosporium и др., осуществляющие нитрификацию в присутствии органических веществ. Наряду с аммонием данные микроорганизмы могут окислять ряд азотсодержащих органических веществ, образуя при этом гидроксиламин, нитриты, нитраты, гидроксамовые кислоты, оксиды, закись азота и другие продукты. В отличие от нитрификации, осуществляемой хемолитоавтотрофными бактериями, гетеротрофная нитрификация не обеспечивает микроорганизмы энергией. Какое значение имеет для них такой процесс, остается пока не выясненным (Белюченко, Бозина, 2006; Белюченко, 2014 ж). В почве совершается ряд процессов, в результате которых окисленные формы азота (нитраты и нитриты) восстанавливаются до оксидов азота (N2O, NO, NO2) или молекулярного азота N2, что ведет к существенным потерям почвенного азота. Восстановление нитратов и нитритов до газообразных азотных соединений происходит в результате прямой (биологическое восстановление) и косвенной (химическое восстановление) денитрификации. В процессе биологической денитрификации нитраты используются как окислители органических веществ (вместо молекулярного кислорода), обеспечивая микроорганизмы необходимой энергией. Денитрификация осуществляется микроорганизмами в переувлажненных и уплотненных почвах при анаэробных условиях и ингибируется кислородом воздуха: первый этап процесса – восстановление нитратов в нитриты – протекает при участии разнообразных микроорганизмов (прокариоты и эукариоты – водоросли, грибы, дрожжи). Восстановление нитратов до газообразных продуктов (NO2, NO, N2O, N2) осуществляется только прокариотами. 334 Долгое время считали, что деятельность нитрифицирующих микроорганизмов способствует повышению плодородия почв, поскольку они переводят аммоний в нитраты, которые хорошо усваиваются растениями; в результате деятельности нитрификаторов происходит подкисление среды, повышающее растворимость некоторых минералов, содержащих элементы (магний, фосфор и др.), необходимые растениям. Последние взгляды на нитрификацию азота изменились, поскольку плодородие почв обеспечивается наличием в них солей аммония, которые меньше, чем нитраты, растворяются и лучше задерживаются в почве. Образование нитратов стимулирует денитрификацию, и содержание в почвах азота снижается, поскольку этот процесс ведет к образованию летучих продуктов. Некоторые нитрифицирующие бактерии сами образуют N2O, особенно при низком давлении молекулярного кислорода. В аминокислотах и белках азот находится в восстановленной форме (NH2- или NH–группы), и нитратные формы азота в растениях восстанавливаются раньше, чем они используются при наличии энергии на построение аминокислот и белков, а аммоний используется непосредственно. Таким образом, в энергетическом отношении поглощение растениями азота в аммонийной форме является более выгодным. Повышение концентрации нитратов в воде, вследствие вымывания их из почвы в силу хорошей растворимости данных соединений, делает их непригодными для питья и может вызывать эвтрофикацию водоемов. Высокое содержание нитратов в почве при положительных условиях ведѐт к аккумуляции в различных видах растений, а затем по пищевым цепям переходит в молоко и мясо животных, что делает их опасными, поскольку в организме животных и человека нитраты способны восстанавливаться до нитритов, приводящих к образованию метгемоглобина и превращаться в нитрозамины – сильные канцерогенные соединения. Прикладные исследования по нитрификации направлены на получение максимального эффекта от внесения азотных удобрений при минимальном накоплении подвижных форм азота в почве, растениях и вообще в окружающей среде. Первые работы по изучению торможения процесса нитрификации с помощью отдельных химических соединений были выполнены 335 ещѐ в прошлом веке. Большое внимание этой проблеме уделяется в Великобритании, Индии, Германии, США, Японии. Наиболее широко распространенным способом замедления интенсивности процесса нитрификации является применение химически синтезируемых ингибиторов (препараты, которые при внесении в небольших количествах подавляют жизнедеятельность нитрифицирующих организмов, осуществляющих первый этап нитрификации). Поиск путей и разработка практических способов снижения потерь и повышения эффективности применения азотных удобрений привлекает большое внимание к изучению процессов трансформации азота в почве в случае применения сложных компостов. Круговорот азота и углерода. Велико влияние углерода и азота на вещественный обмен в экосистемах. Соотношение углерода и азота (C:N) в земледелии в 19 веке составляло 16, что вполне устраивало эволюционно сложившуюся физиологическую потребность в белке организмов животных и человека. За последнее столетие в 20 веке урожаи растений повысились примерно в 4 раза, что связано с изменением соотношения C:N примерно до 30 и даже больше, что вызвало диетические проблемы у человека и создало нехватку белков. Иными словами, круговорот углерода и азота в атмосфере тесно связан с экологическими интересами человека, который хоть и зависит от природных ресурсов этих веществ, но, без сомнения, нарушает их естественный баланс. Углерод является важным носителем энергии среди основных форм органического вещества. Именно его количество и степень восстановления определяют энергетическую ценность материала. Соотношение азота и углерода в органическом веществе отражает в нем молекулярный состав. Знание элементного состава, особенно соотношения углерода и азота, с давних пор использовалось специалистами для характеристики биологической активности почв, где соотношение C:N является одним из параметров при их классификации. В гидробиологии отношение C:N:P применяется при характеристике биологии и экологии гидробионтов и ресурсов водной среды. Взаимоотношения на уровне элементного состава органического вещества в сложном компосте позволяют восстановить их приблизительный материальный состав и энергетическую ценность. Отклонения в соотношении отдельных элементов содержат в себе информацию о биологических последствиях происшедших изменений в про336 цессе формирования сложного компоста. Большой прогресс в аналитических методах (например, инструментальных исследованиях элементного состава биологического материала) позволяет получить больше данных относительно соотношения углерода и азота на разных этапах формирования сложного компоста. Оба элемента имеют универсальный характер для оценки весьма разнородных биологических материалов (растения, животные, почва, донные отложения, навоз, куриный помет, детрит, осадки сточных вод и т.д.). Именно почвенные микроорганизмы-гетеротрофы в сложном компосте завершают круговорот азота и углерода и других элементов. Наиболее заметна роль микроорганизмов в цикле углерода, показателем которой служит баланс СО2, а в цикле азота – баланс N2, NO, NO2. Одной из важных практических задач кафедры общей биологии и экологии Кубанского госагроуниверситета является изучение различных веществ естественного происхождения в качестве ингибиторов процессов нитрификации через подготовку сложных компостов с применением веществ органического и минерального происхождения, сохраняющих эффективность до 5-6 лет и больше. 337 ГЛАВА 14. СЛОЖНЫЙ КОМПОСТ В ЗАЩИТЕ ПОЧВ ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СИСТЕМЕ АГРОЛАНДШАФТА QUESTIONS OF PROTECTION OF SOIL IN THE AGROLANDSCAPES Balance of heavy metals in the topsoil describes their content at admission and take-out for a specific period of time. Sources of heavy metals in the soil are their admission with atmospheric precipitation, sowing material, dust, organic and mineral fertilizers, as well as other components. Take-out of elements from the soil is taken into account with a crop (grain yield of green mass, roots, etc.), as well as with the removal of water and wind erosion. Загрязнение почв тяжелыми металлами. Баланс тяжелых металлов в верхнем слое почвы складывается за счет их поступления и выноса за конкретный период времени. Поступление тяжелых металлов в почву происходит с атмосферными осадками, посевным материалом, пылью, органическими и минеральными удобрениями, а также из других составляющих агроландшафта. Вынос элементов из почвы осуществляется с урожаем (зерно, урожай зеленой массы, корнеплоды и т.д.), а также ветровой и водной эрозией. При поступлении больших количеств тяжелых металлов (ТМ) в почву еѐ биологические, химические и физические свойства заметно меняются, что ведет к ухудшению почвенного плодородия. Помимо этого тяжелые металлы прямо воздействуют на растения и, поступая в них, нарушают обмен веществ, снижают их продуктивность и качество продукции. О влиянии загрязнения ТМ на свойства почв известно много данных. Некоторые авторы указывают на снижение биологической активности почв (Бабьева и др., 1980; Гришина, Иванова, 1997), другие отмечают нарастание численности отдельных групп микроорганизмов, а также изменение ферментативной активности почв. С изменением биологических свойств почв, как правило, усиливается их фитотоксичность. Влияние отдельных тяжелых металлов в малых количествах (на уровне микроэлементов) исследуется в литературе давно и широко (Кабата-Пендиас, 1989). Тем не менее работ, посвященных изучению влияния больших количеств тяжелых металлов в 338 почве (до 10 ПДК и более), к сожалению, очень мало. Изменение физических и химических свойств почв отмечается при их загрязнении тяжелыми металлами на уровне 10 ПДК и более. При загрязнении тяжелыми металлами свойства почвы ухудшаются: нарушается структура почвы, повышается еѐ плотность, снижается общая порозность, водопроницаемость, ухудшается водно-воздушный режим. Загрязнение почв тяжелыми металлами снижают в гумусе почв содержание гуминовых кислот и повышают содержание фульвокислот. Например, при увеличении доли цинка в почве усиливаются процессы аммонификации, нитрификации, минерализации, азотфиксации. Мало исследований посвящено также одновременному воздействию на почвы и растения тяжелых металлов при их комплексном внесении. В понятие токсичности почвы вкладывается снижение показателей роста растений на исследуемой почве по сравнению с контролем; это касается накопления в почве вредных химических веществ (сложные органические соединения, образуемые микрофлорой, фитотоксины и простые неорганические вещества, включая соединения тяжелых металлов). В качестве тест-объекта могут служить различные живые организмы. Например, большое практическое значение имеет изучение влияния разных доз тяжелых металлов на токсичность чернозема обыкновенного по отношению к озимой пшенице в силу ее широкого использования. При проведении исследований в ОПХ «Газырское» (Выселковский район, Краснодарский край) в качестве комплекса загрязнителей использовали свинец, медь, ртуть, кадмий, цинк в лабораторном модельном опыте на черноземе обыкновенном. Установлено, что влияние тяжелых металлов на характер прорастания семян и рост проростков озимой пшеницы зависит от их доз, природы металла, его содержания в почве и продолжительности воздействия. Установлено также, что чернозем обыкновенный при высокой емкости ППК, нейтральности среды и высоком содержании гумуса переводит тяжелые металлы в неподвижные и нетоксичные для растений формы, и потому даже при больших дозах загрязнения ТМ зачастую не оказывают на организмы вредного действия. При значительных поступлениях тяжелых металлов (на уровне 10 ПДК и более) нередко наблюдается изменение кислотности чернозема обыкновенного. Подкисление среды с накоплением загрязнителей отмечается чаще, чем подщелачивание. Окислительно339 восстановительный потенциал (Eh) почвы при загрязнении тяжелыми металлами практически полностью зависит от изменения еѐ кислотности (Белюченко, 2014 д). При ухудшении состояния любого из составляющих агроландшафта (почва, вода и т.д.) получать качественный урожай и незагрязненную продукцию объективно нельзя. Очень важно установить нормы поступления в почву таких элементов, как свинец, кадмий и другие, которые накапливаются при постоянном применении удобрений. К сожалению, очень мало информации о загрязненности целым рядом тяжелых металлов таких важных культур, как кукуруза, сахарная свѐкла, озимая пшеница и др. Имеющиеся в литературе сведения нередко носят противоречивый характер и весьма ограничены во временном аспекте проведенных исследований. В опытах на табачных плантациях в почве установлены значительные концентрации меди и цинка. В отдельных хозяйствах Северского района Краснодарского края медь и цинк обнаруживали в концентрации до 7 ПДК, хотя в табачном сырье их содержание было незначительное. Тяжелые металлы, наряду с другими микро- и макроэлементами, формируют свои круговороты в отдельных ландшафтах и биосфере в целом. Установлено, что растения одного вида, произрастающие на разных почвах, накапливают разное количество тяжелых металлов. В условиях Западного Забайкалья в урожае растений содержание тяжелых металлов убывало в следующем порядке: Ni>Pb>Cd. Основная масса тяжелых металлов накапливается в корневой массе, многократно увеличивая свои показатели и в надземных органах. Многие авторы, изучающие распределение химических элементов по профилю почв, указывают на равномерность их размещения с определенной аккумуляцией в верхнем слое. Подвижность металлов зависит от почвенного слоя, рельефа местности, состава материнской породы, химического состава почв и многих других условий (Ковда, 1995). При поступлении в почву в больших количествах тяжелые металлы оказывают влияние на биологические и биохимические свойства почв, на изменение в них количества подвижных форм питательных веществ. Загрязнение почвы тяжелыми металлами влияет на трансформацию азотсодержащих веществ, подавляет активность азотфиксации и т.д. Наибольшее давление на эти процессы оказывает кадмий, несколько меньше медь, затем цинк и свинец. 340 Исследованиями М.М. Умарова и Е.Е. Азиевой (1980) установлено, что снижение в почве дозы свинца стимулирует в ней азотфиксирующую активность. Процессы аммонификации и нитрификации относительно менее чувствительны к тяжелым металлам, хотя повышенные их концентрации ведут к снижению интенсивности этих процессов. Невысокие дозы тяжелых металлов иногда стимулируют процессы аммонификации и нитрификации. Уровень подвижных форм азота и минеральных веществ заметно снижается при повышенных концентрациях тяжелых металлов (Tyller, 1999). На накопление в почве тяжелых металлов существенное влияние оказывает ее гранулометрический состав, особенно содержание в ней илистой фракции. Многими исследователями установлена корреляция между содержанием многих тяжелых металлов в почве и долей в ней илистой фракции, в которой концентрируется больше микроэлементов, чем в почве в целом. На глинистых и суглинистых (тяжелых) почвах подвижность многих тяжелых металлов проявляется слабее, чем на легких песчаных и супесчаных. При оценке количества кобальта во фракциях песка, крупной и мелкой пыли и ила установлено, что с уменьшением размера частиц увеличивается содержание элемента, причем в илистой фракции его в 7 раз больше, чем в песчаной. Аналогичные связи с минеральной частью почвы установлены для свинца, кадмия и других тяжелых металлов. Концентрация тяжелых металлов в основном свойственна илистой и пылеватой фракциям. Накопление металлов в этих фракциях меняется в зависимости от типа почвы и состава почвообразующей породы. Например, в карбонатном черноземе концентрация кобальта в пылеватой фракции выше, чем в илистой. На распределение тяжелых металлов по фракциям заметное влияние оказывает минералогический состав почв. Трехслойные минералы с расширяющейся решеткой, обнаруженные в илистой фракции почв, удерживают ионы тяжелых металлов в межплоскостных промежутках и весьма прочно на склонах кристаллов. Достаточно прочная связь отмечена между некоторыми тяжелыми металлами и минералами полуторных окислов. Например, повышенное содержание кобальта и других элементов в пылеватых частицах связано с тем, что в них концентрируется большая часть продуктов химического и биологического выветривания и аккумуляции. Значение органического вещества в накоплении микроэлементов отмечается многими исследователями. Весьма активно ионы многих 341 тяжелых металлов поглощаются органическим веществом почвы, представляющим отмершие части растений, животных и микробную биомассу (Гузев и др., 1986). Органическое вещество под действием микроорганизмов претерпевает ряд превращений, образуя гумус (обычно темноокрашенная часть почвы), в состав которого входят гуминовые и фульвокислоты (Алексеев, 1987). Гумусовые вещества в коллоидно-дисперсной системе почвы занимают важное место, так как их сорбционная емкость во много раз выше, чем у минеральных соединений. Поэтому сильногумусированные почвы характеризуются повышенным накоплением металлов, в частности кобальта, который способен образовывать с рядом органических веществ комплексные соединения, растворимые в воде. Стабильное органическое вещество почвы связывает кобальт и многие тяжелые металлы, превращая их в недоступную для растений форму; растения усваивают больше металлов из слабогумусированных почв с легким механическим составом, чем из богатых органическим веществом. Считается, что многие металлы (например, кобальт, цинк, свинец и др.) вообще малоподвижны в почве вследствие их сильной сорбируемости. Железо наряду с марганцем и другими металлами играет важную роль при катализе биохимических окислительно-восстановительных реакций в почве. По своей активности железо отличается от марганца: в биохимических реакциях, протекающих в почве, железо легко подвергается процессам окисления, а марганец, наоборот, – процессам восстановления. Марганцевокислые соединения легко окисляют двухвалентное железо до трехвалентного. При избытке марганца как окислителя железо может быстро перейти в легкоосаждаемые и труднодоступные растениям трехвалентные окиси и гидраты окисей. Однако при недостатке в почве марганца как окислителя двухвалентное железо может накапливаться в почве весьма быстро в избыточных для растений количествах. Важно, чтобы в почве соотношение между железом и марганцем составляло 2:1. При избытке марганца, иногда и на кислых почвах, растения могут испытывать недостаток в железе. Важное место занимает соотношение гуминовых кислот, входящих в состав почвенного органического вещества, поскольку комплексы тяжелых металлов с этими кислотами более устойчивы (органический запас тяжелых металлов в почве), чем комплексы с фульвокислотами, в которых тяжелые металлы более подвижны, а потому и легко доступны для корней растений и почвенной биоты. Формирование в 342 почве гуминовых кислот и дисперсность почвенных частиц приводят к значительной иммобилизации металла, что негативно сказывается на поступлении кобальта в растения. Реакция среды в такой ситуации играет существенную роль. Комплексообразующая способность органических соединений по отношению к некоторым металлам зависит от рН среды: гуминовые кислоты образуют комплексы в кислой среде, а фульвокислоты – при рН 6,5-8,0. Особое влияние на содержание в почве минерального азота оказывает медь и значительно меньше – кадмий и свинец на бедных почвах, а на богатых почвах тяжелые металлы способствует сохранению подвижных форм азота на определенном уровне. В опытах, выполненных в Выселковском районе Краснодарского края, загрязнение чернозема обыкновенного тяжелыми металлами как уменьшало, так и увеличивало содержание в нем подвижных форм азота и фосфора. Действие тяжелых металлов определяется свойствами самого металла и его соединений, уровнем его содержания в почве и сроками экспозиции. Современные технологии восстановления почв от загрязнения тяжелыми металлами. Очищение загрязненных почв за счет естественных процессов (в основном через вымывание с инфильтрационными водами) проходит очень медленно. Внесение водорастворимых солей тяжелых металлов в почву усиливает их миграцию только в первый год, а в последующий период они трансформируются в менее подвижные соединения и их вымывание из корнеобитаемого слоя резко снижается. Передвижение тяжелых металлов в системе почварастение регулируется рядом факторов (Добровольский, 1997; Трифонова и др., 1999). Исследования такого рода способствуют разработке систем нормирования и защитных мер по снижению загрязнения сельскохозяйственной продукции, а также деконтаминации (очищению) почв. Однако не всегда установленные при моделировании закономерности миграции и транслокации отдельных металлов можно полностью перенести на реальную основу в природной среде. Это связано с селективностью отдельных почв, антагонистически-синергическими отношениями микро- и макроэлементов при их транслокации, различиями в толерантности растений к отдельным загрязнителям и их сочетаниям. Почвы по-разному поглощают отдельные тяжелые металлы (различия в интенсивности поглощения, количественных нормах поглощения и т.д.), что связано с различиями в способности катионов металлов к формированию нерастворимых соединений, специфической адсорб343 ции, комплексообразованию. Высокой степенью вымывания тяжелых металлов отличаются дерново-подзолистые супесчаные почвы, имеющие низкую степень поглощения. Другие почвы, близкие по гранулометрическому составу и емкости поглощения, но различающиеся по содержанию гумуса, кальция и уровню кислотности, заметно отличаются по вымыванию тяжелых металлов, особенно свинца. Так, суммарное количество вымытых из дерново-подзолистых почв Zn, Cd, Ni и Рb составило 0,29 мг-экв./100 г почвы, а из черноземов - всего 0,005 мгэкв./100 г почвы. Иными словами, почвенный фактор имеет большое значение в определении вертикальной миграции тяжелых металлов. Органическое вещество оказывает определенное влияние на адсорбцию тяжелых металлов (Чеснокова и др., 1999). В ряде работ рассматривается связь с ионным составом почв, составом и свойствами жидкой фазы некоторых катионов тяжелых металлов в ней. Ряд работ посвящен взаимосвязи между поглощением Pb2+, Co2+, Cd2+ и других тяжелых металлов и содержанием высокодисперсных минералов в почвенном поглощающем комплексе (ППК) (Tiller et al., 1984). Установлены ряды минералов, характеризующиеся определенной величиной адсорбции тяжелых металлов. Способностью аккумулировать тяжелые металлы обладают оксиды железа. Накопление свинца связано с высокой обменной емкостью его соединений, но больше всего это происходит в силу их высокой избирательной способности по отношению к катионам тяжелых металлов. Взаимосвязи коэффициентов избирательной способности и максимальных адсорбций с показателями состава и свойств почв важны для понимания механизмов взаимодействия катионов тяжелых металлов с элементами почвеннопоглощающего комплекса. Они позволяют установить влияние состава и свойств почв на сложные процессы, происходящие в почвенных экосистемах. Формы тяжелых металлов в почвах определяют их поведение и характер доступности растениям. Механизмам поглощения свинца почвами и их составляющими посвящено немало работ, однако оценка этих механизмов у разных авторов весьма противоречива. Растения являются вторым важным фактором на пути перемещения тяжелых металлов. Корневые системы способны удерживать достаточно большие количества ионов, что связано с совокупным действием морфологических структур и химических реакций неспецифической природы, к которым относятся обменная емкость корней, концен344 трация металлов в вакуолях, химическая инактивация конкретных соединений (Ильин, 1995). Накопление в почвах тяжелых металлов вызывает определенные изменения в растениях, связанные с возникновением в них защитных механизмов и усилением антагонизма ионов. Так, значительное превышение ПДК Cd, Pb, Ni и Сr не привело к достоверному понижению урожая редиса и моркови, но способствовало увеличению содержания в корнеплодах фосфора и калия, которые, по всей видимости, являются элементами-антагонистами. Устойчивость растений к тяжелым металлам определяется также типом возделывания культур и составом загрязнителей. Считается, что из всех сельхозкультур озимая пшеница является весьма устойчивой к тяжелым металлам, тогда как овес менее устойчив. Взаимодействия различных компонентов тяжелых металлов могут быть и синергическими, и антагонистическими. Например, в суданской траве отмечено снижение поступления кадмия до 40% в варианте со свинцовым загрязнителем. Изменчивость характера взаимодействия между тяжелыми металлами (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989) объясняют тем, что синергизм кадмия со свинцом и никелем может быть артефактом, который возникает вследствие разрушения физиологического барьера у организмов под действием стресса из-за избыточного воздействия тяжелых металлов. Особенности взаимовлияния элементов и их антагонизм или синергизм обусловливаются обеими составляющими системы почва-растение. При загрязнении почвы рядом тяжелых металлов способность последних поступать в растения определяется свойствами пахотного слоя почвы и биологическими особенностями самих растений, а также составом загрязнителей. Загрязнение растениеводческой продукции и снижение урожайности культур вызывается в основном дисбалансом, возникающим в системе почва-растение. По отношению к тяжелым металлам как загрязнителям большое значение имеет буферность почв. Она определяется химическими и электростатическими свойствами, долей органических веществ и глинистых комплексов, ионообменными, окислительно-восстановительными, кислотными или щелочными и сорбционными свойствами почв, которые под влиянием тяжелых металлов изменяются, что ведет к ухудшению среды обитания растений и животных. Буферность почв, влияющая на степень загрязнения, определяется также химическими свойствами, влияющими на подвижность за345 грязнителей, поступающих в почву, а способность последних вступать в ионный обмен и закрепляться в почвенных коллоидах в процессах хемосорбции, комплексообразования и осаждения. Параметры концентрации любого элемента раствора и устойчивости к загрязнению разных субстратов зависят от содержания в почвах тонкодисперсных минералов, их количества и качества, органических веществ, уровня кислотности или щелочности. Большое значение в подвижности свинца, например, имеют процессы осаждения-растворения, регулирующие в определенной степени распределение тяжелых металлов между твердыми фазами и почвенным раствором. Перспективными являются также развиваемые в последние годы представления о взаимозависимости многих процессов, происходящих в почве, и их количественная оценка на основе термодинамических уравнений химических равновесий, нередко позволяющих заменить трудоемкое определение конкретных соединений (валовое содержание и концентрация подвижных форм) на весьма легко определяемые показатели содержания органического вещества, рН, Eh, EKO и др. Пока не все названные факторы поддаются такому анализу. Большое и разнообразное влияние на поглощение почвами тяжелых металлов оказывают кислотно-щелочные свойства, определяющие форму нахождения в почве соединений отдельных элементов, величину и знак заряда их частиц (катион, анион, нейтральная частица), прочность связи и количество удерживаемых почвой частиц. С понижением рН ионообменная абсорбция катионных форм, попадающих в почву загрязнителей (металлы, неметаллы), заметно нарастает; у анионных форм проявляется обратная зависимость – основная их масса сорбируется в слабощелочной среде, в которой преобладают анионы в двузарядной форме. Зависимость поглощения ртути почвами от величины рН также установлена: максимум ртути удерживается почвой при рН 4,8-6,5. В степной зоне края подвижность металлов ограничена недостатком влаги, нейтральной реакцией почвенного раствора, устойчивостью гумуса, поэтому они накапливаются в верхних горизонтах почвы. При карбонатной аккумуляции накапливаются осадки, обогащенные стронцием и барием, тогда как В, Аg, Мо, V, As весьма подвижны в форме истинных растворов по всему почвенному профилю и по рельефу ландшафта. Миграция всех элементов в аридных районах весьма низка, и при испарении идет аккумуляция Ag, Hg, В, Мо. Весьма под346 вижны Mn, Fe, Сu, Мо, V в форме комплексов с органическими и минеральными веществами, а в коллоидном состоянии - в форме простых солей при щелочной реакции в засоленных почвах. При оценке экологической обстановки целесообразно учитывать буферные свойства почв в отношении тяжелых металлов, поскольку переход их подвижных форм в малоподвижные сопряжен с содержанием в субстрате тонкодисперсных частиц оксидов железа и алюминия и типом гумуса. С повышением рН подвижность тяжелых металлов понижается (Орлов и др., 1989). Способность почв инактивировать тяжелые металлы связывают с содержанием в них гумуса и глины и величиной актуальной кислотности. Кроме того, буферная способность почв оценивается по емкости катионного обмена, представляющей собой интегральную характеристику содержания гумуса, глины и актуальную кислотность почвы. Указанные свойства почв берутся за основу разработки нормирования при оценке территории по степени опасности для здоровья человека, при проектировании новых и вновь создаваемых сельскохозяйственных предприятий и т.д. Используя нормирующие характеристики, можно оценить буферные особенности загрязненных сельскохозяйственных земель при выращивании отдельных культур, способных давать гигиенически безопасную продукцию. В хозяйстве, где мы вели исследования, проводится работа по оценке активности тяжелых металлов на отдельных участках для сохранения экологической безопасности растительной продукции. Нами установлена высокая степень связи между содержанием в почве тяжелых металлов и определенной степенью загрязнения зерновых, овощных и кормовых культур. На почвах, загрязненных тяжелыми металлами до уровня ПДК, установлено загрязнение продукции кадмием и никелем. В хозяйстве ведутся работы по нормированию концентрации тяжелых металлов в почвах для оптимизации участков, наиболее благоприятных для выращивания конкретных полевых культур. С помощью нормирующих показателей можно оценить буферные особенности загрязненных, но еще использующихся в сельском хозяйстве почв для подбора культур, способных давать гигиенически безопасную продукцию. В нашей стране ведутся работы по оценке активности тяжелых металлов в почве для сохранения экологического качества растительной продукции. Установлена прямая связь между содержанием тяжелых металлов в почве и встречаемостью загрязнен347 ных выше гигиенической нормы овощных культур. На почвах, загрязненных тяжелыми металлами свыше ОДК 95, отмечено 100% загрязнение овощных культур кадмием и очень редко цинком, а свинец остается в допустимых пределах. Работы по нормированию содержания химических соединений в почвах в настоящее время проводятся в различных районах нашей страны достаточно широко. В институте физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН установлено, что поглощение свинца разными типами почв при колебании рН от 4,5 до 6,0 происходит параллельно вытеснению ионов кальция и водорода. И сам этот процесс представляет трехкатионный ионный обмен и является обратимым. При рН>6,0 преобладает другой механизм поглощения свинца – осаждение его карбоната. Установлено, что с увеличением рН поглощение почвами свинца обычно увеличивается. Обмен свинца в глинисто-перегнойных комплексах на кальций и водород является процессом обратимым. Осаждение малодисперсного карбоната свинца наблюдается при рН>6,0 и при наличии углекислого газа атмосферного воздуха. Иными словами, связывание свинца из кислых растворов идет по механизму трехкатионного обмена, а при высоких показателях рН и ближе к нейтральным идет выпадение его карбонатов. В целом почва выступает важным накопителем поллютантов в биосфере, защищая тем самым от загрязнения атмосферу и гидросферу. Поскольку почва представляет собой основной субстрат производства пищи для всех уровней жизни на планете, то загрязненная почва является весьма опасным источником токсического воздействия на все организмы. Нередко поднимается вопрос о возможностях самоочищения почвы от загрязнителей, что связывается с прекращением их поступления в агроландшафты. Сегодня такая постановка вопроса практически нереальна. Под самоочищением можно понимать только исключение загрязняющих веществ из биологического круговорота, что возможно при переводе их в нетоксические соединения, а также их переходе из почвы через испарение в атмосферу, выносе растениями с урожаем, вымывании в гидросферу и т.д. Проблема очистки почв от тяжелых металлов весьма сложная, поскольку они относятся к весьма стойким загрязнителям. Например, исследованиями установлено, что концентрации свинца и цинка только через 50 лет начинают сокращаться в верхних горизонтах почв, перемещаясь в элювиальную часть почвенного профиля при сохра348 нении иллювиального максимума. Из этого примера видно, что даже при кислой реакции почв, в которых миграция металлов повышенная, степень самоочищения почв от тяжелых металлов очень низкая. Высокую стабильность загрязнения почв металлами демонстрирует их содержание в неиспользуемых почвах вблизи предприятий-загрязнителей. Известны примеры высокого содержания Сu, As, Pb, Zn на территориях заводов, давно не эксплуатируемых и даже закрытых на сегодня, с превышением ПДК или фоновых концентраций в несколько раз. Экологический мониторинг загрязненности субстратов не определяет возможности управления этим процессом, но он дает основу для разработки мероприятий, направленных на снижение влияния загрязнителей на почву. Среди таких мероприятий следует выделить технологические, химические и механические. 1. Технологические мероприятия представляют собой современные технологии производства основной продукции, очистку отходов и промышленных стоков, перевод промышленного производства на малоотходное (еще лучше на безотходное, что нереально). Внесение минеральных, органических и органоминеральных удобрений оптимизирует условия вегетации растений и снижает токсичность загрязнителей. На загрязненных площадях необходимо культивировать устойчивые к тяжелым металлам культуры, например картофель, выращивать культуры, у которых используются в пищу плоды (зерно, например), накапливающие мало загрязнителей в силу более короткого времени их развития по сравнению с вегетативными органами, и т.д. Следует иметь также в виду выведение устойчивых к загрязнению сортов культурных растений, не накапливающих значительных количеств ТМ в своих органах. 2. Химические мероприятия представляют собой инактивацию загрязнителей и базируются на их переводе в малоподвижные формы. Например, ограничение подвижности и снижение токсичности ряда тяжелых металлов (Cd, Ni, Cu, Mn, Co, Pb, Zn, As) для растений осуществимо при известковании кислых почв. Так, в вегетационных опытах при внесении в кислую почву (рН 5,2) 5 мг/кг извести содержание кадмия (его подвижных форм) в растениях ячменя (зерно и солома) повысилось. Подвижность кадмия, никеля и кобальта снижается путем запашки зеленого удобрения, навоза и сложных органоминеральных компостов. Промывка почв разбавленной соляной кислотой с последующим внесением форсфорно-магниевых удобрений и силиката 349 кальция снижает загрязнение почв, зянятых промышленными отходами. 3. К механическим мероприятиям следует отнести удаление и захоронение наиболее загрязненного верхнего слоя почвы и завоз чистой плодородной почвы (высотой до 10-12 см) на поверхность загрязненной, что может быть весьма эффективным в условиях промышленного режима. При выпадении небольшого количества осадков закрытие чистой почвой загрязненной территории дает эффект первые 4-5 лет, а затем наблюдается загрязнение и этого слоя тяжелыми металлами. Насыпка двухслойного покрова на загрязненном участке слоем до 15 см оказывало благоприятное влияние на развитие растительности. Определенный интерес проявляется к развитию технологии восстановления почв, известной как фиторемедиация, которая включает фитостабилизацию и фитоэкстракцию. Фиторемедиация важна для восстановления сельскохозяйственных земель в районах с перекрывающейся промышленной и сельскохозяйственной деятельностью, где содержание в почве тяжелых металлов повышено. Фиторемедиация загрязненных почв является относительно мягким и недорогим способом по сравнению с рекультивацией. Она включает следующие этапы: 1 – экскавация загрязненного слоя почв и еѐ транспортировка на специальные свалки с последующим землеванием участка; 2 – химическая обработка поверхности участка почвы для устранения просачивания воды; 3 – выщелачивание из почв тяжелых металлов с помощью кислых растворов и возвращение на участок чистых почв; 4 – электрокинетическая чистка почв и т.д. Под фитостабилизацией понимается технология, при которой устойчивые к тяжелым металлам растения выращиваются на загрязненных почвах с целью снижения подвижности металлов и тем самым дальнейшего снижения загрязнения окружающей среды через выщелачивание этих загрязнителей в грунтовые воды или предотвращение их распространения при ветровой и водной эрозии почв. Под фитоэкстракцией понимается технология возделывания подобранных растений на загрязненных площадях для извлечения из почв тяжелых металлов и их концентрирование в надземной массе с последующей ее переработкой. Растения достаточно активно извлекают из загрязненных почв свинец, и поэтому методы фитоэкстракции свинца, как и других тяжелых металлов, имеют несомненно большое 350 значение для целей детоксикации почв. Одним из ограничений эффективности фитоэкстракции является доступность растениям металлов. Например, свинец растворим в почвенном растворе относительно мало и мало доступен растениям, что связано с его комплексообразованием с органическим веществом, сорбцией на оксидах и глинах, осаждением в форме карбонатов, гидроксидов, фосфатов (Blaylock et al., 1997). Повышение концентрации металлов в почвенном растворе с помощью синтетических хелатообразующих агентов, которые обладают адаптивным действием на поглощение свинца растениями, является основным способом фитоэкстракции свинца и некоторых других металлов (кадмий, цинк и т.д.). В опытах, проведенных в Катовицком воеводстве Польши, установлено, что обработка почвы веществами, повышающими эффективность фитоэкстракции, влияет на динамику каталазной, дегидрогеназной и целлюлазной активности почв, загрязненных свинцом, кадмием и цинком. Подтверждено влияние различных концентраций хелатообразующего агента ЭДТА (этилендиаминтетрауксусной кислоты) и ее комбинаций на ферментативную активность почв, загрязненных тяжелыми металлами. Различная концентрация по-разному сказывается на ферментативной активности почв, загрязненных тяжелыми металлами (Черных, 1991). Современный подход к снижению в почве ТМ. Почвы хозяйства, где проводились исследования (Краснодарский край, Ленинградский район, ОАО «Заветы Ильича»), представлены в основном черноземом обыкновенным, который характеризуется следующими свойствами: содержание органического вещества в пределах 3,8–4,0%, запасы гумуса в пахотном слое 97–102 т/га, содержание подвижных форм фосфора 2,5–4,0 мг/100 г, что заметно отличается от оптимальных значений, характерных для культурных черноземных почв (табл. 14.1). Выявлено низкое содержание органического вещества и запасов гумуса, отмечены средний уровень содержания подвижных форм фосфора и относительное снижение содержания тонкодисперсных фракций в пахотном слое почвы. Внесение сложного компоста существенно меняет уже через год основные агрономические характеристики почвы. За последние 10 лет равнинные территории хозяйства потеряли 7–8, а склоновые – 15–20 см гумусового горизонта, что связано прежде всего с развитием эрозионных процессов и дегумификацией почвенного покрова. Большое значение имеет содержание в почве гумусовых веществ, важную роль в котором играет минеральный состав и соот351 ношение между характеристиками различных групп соединений. Минеральный состав высокодисперсной части сложного компоста определяется подстилающими породами, которые представлены на территории Центральной части России в основном четвертичными отложениями. Таблица 14.1. Состояние верхнего слоя чернозема обыкновенного в агроландшафте Показатель Фактическое содержание Гумус,% Запасы гумуса в слое 0-20 см, т/га Подвижный фосфор, мг/100 г Азот общий,% Доля обменного кальция от ЕКО,% рН водной вытяжки Физическая глина,% Агрономические ценные агрегаты,% Водопрочные агрегаты > 0,25 мм,% Плотность, г/см3 3,8–4,0 97,0–102,0 2,5–3,0 0,35 62,0–65,0 8,3–8,4 50,0–55,0 60,0–62,5 45,0–48,0 1,27–1,30 Через год после внесения сложного компоста 4,7 145 3,7 0,38 80 7,2 60 65 62 1,15 Период исследований тяжелых металлов в верхнем слое почвы мы условно разделили на 2 этапа: 2001-2006 гг. – основу технологии составляли старые методы обработки почвы: практически ежегодная пахота всех площадей и частые культивации междурядий пропашных культур и ежегодное внесение в почву минеральных удобрений; в 2007-2012 гг. (условно 2-й этап) перешли на шестипольный севооборот с пахотой только под сахарную свѐклу и разовым внесением сложного компоста (в основном под кукурузу или озимую пшеницу) и ежегодным внесением минеральных удобрений. Провели сравнение показателей баланса тяжелых металлов при разных технологиях выращивания культур (Алексеев, 1987). Комбинирование полезных характеристик отходов в зависимости от экологического состояния почвенного покрова позволяет создавать сложные компосты, внесение которых в почву существенно дополняет и улучшает еѐ физические, химические и биологические свойства и функционально усиливает их экологические взаимосвязи. Такой 352 подход к восстановлению экологических функций почвы является серьезной альтернативой существующим в настоящее время агротехнологиям возделывания сельскохозяйственных культур. На стационарном полигоне многолетнего мониторинга (2001-2006 гг.) выявлено ухудшение основных свойств почвы, что отрицательно сказалось на ее плодородии и продуктивности сельскохозяйственных культур. В сентябре 2007 года были заложены полевой и производственный опыты по изучению влияния модернизации технологических приемов возделывания сельскохозяйственных культур. В полевом опыте под посев озимой пшеницы был внесен сложный компост на основе смеси отходов промышленных и сельскохозяйственных производств из расчета 65–70 т/га. Площадь полевого опыта составила 1 га: каждый вариант занял 3340 м2, каждая повторность составила по 660 м2, число повторностей – 5. Сложный компост включал в себя следующие компоненты из расчета на 1 га: полуперепревший навоз КРС (50 т), фосфогипс (7 т), пшеничную и ячменную солому (2 т), дефекат (2 т), древесные опилки (1 т), шелуху семян подсолнечника (1 т), по 1 т на 1 га отходы сахарной свеклы, выжимки овощных культур, золу, растительные остатки кукурузы, смѐт отходов очистки семян и фуража с фермы. Площадь производственного участка с внесением сложного компоста и минеральных удобрений составила 25 га; с внесением минеральных удобрений и полуперепревшего навоза – 25 га и контрольного участка – внесение минерального удобрения NP – 25 га. За период с 2007 по 2012 гг. севооборот производственного участка был занят следующими сельскохозяйственными культурами: 1-й год – озимая пшеница, 2-й год – кукуруза на зерно, 3-й год – озимая пшеница, 4-й год – сахарная свекла, 5-й год – озимая пшеница. Число проб в полевом опыте составило 30 по почвам и растительности в каждой повторности и 150 по каждому варианту; в производственном опыте по каждому варианту отбиралось и обрабатывалось по 100 проб почвы. 1. Влияние сложного компоста на физические, химические и биологические свойства почвы и растений. Сложный компост, представляющий искусственную смесь органических, минеральных и органоминеральных отходов сельскохозяйственного, промышленного, бытового и природного происхождения, способен улучшать физические, химические и биологические свойства верхнего слоя почвы через 353 обогащение его дисперсными и коллоидными системами (Мельник и др., 2013). Сельскохозяйственные отходы включают все виды и формы навоза (КРС, свиней, куриный помет, твердый, жидкий), остатки растениеводческой продукции (солома пшеницы, стебли кукурузы, подсолнечника, листья сахарной свѐклы и овощей, выжимки плодов и т.д.); промышленные отходы – твердые или жидкие минеральные отходы переработки естественного сырья (фосфогипс, галиты, сильвиниты, известковая мука и др.); отходы быта – сточные воды и их пастообразные осадки. Природные отходы имеют в основном органическое происхождение и представляют собой опад листьев, плодов, однолетние побеги кустарников, деревьев, ветошь трав, а также минеральные материалы осыпей и разрушения горных пород. 2. Сложный компост и агрохимические свойства почвы. В результате проведенных исследований было установлено, что прибавка в содержании органического вещества в первый год внесения сложного компоста по вариантам составила 0,52% при существенном снижении его минерализации благодаря коагуляции минеральных коллоидов фосфогипса, дефеката и органических коллоидов полуперепревшего навоза КРС, растительных остатков и почвы (табл. 14.2). Это создало лучшие условия для стабилизации уровня распада органического вещества в почве опытного участка с внесением сложного компоста по сравнению с контролем в первый год исследования и весьма убедительно отразилось на исследуемом показателе на второй и последующие 5–6 лет действия сложного компоста. Так, содержание органического вещества в почве опытного варианта в посевах кукурузы в 2009 году составило 4,03±0,07, тогда как на контроле – 3,46±0,05%, а в посевах озимой пшеницы в 2010 году соответственно 4,26±0,09 и 3,52±0,07%. В последующем в посевах сахарной свеклы (2011 г.) и озимой пшеницы (2012 г.) на участке со сложным компостом наблюдалось некоторое уменьшение в черноземе обыкновенном содержания органического вещества, однако его уровень превышал контрольный вариант на 0,4–0,5%. В процессе компостирования различных по физическому и химическому составу отходов происходит ослабление процессов денитрификации и заметное повышение концентрации органического вещества и азота в аммонийной форме. Содержание аммонийного азота в процессе приготовления сложного компоста за счет добавления фос354 фогипса повысилось и к концу завершения его формирования в среднем составило 0,10±0,01, тогда как в навозе КРС – 0,06±0,01%. При смешивании навоза с фосфогипсом и другими отходами, участвующими в образовании агрегатов, активизируется процесс структурообразования сложного компоста, улучшаются его физико-химические свойства и качественный состав ППК. Таблица 14.2. Агрохимические свойства смесей через 5 месяцев компостирования Вариант Контроль (NP) Полуперепревший навоз КРС Сложный компост рН СаО, % 0,48± 0,01 NH4+, Робщ,% % на исходную влажность 0,05± 0,18± 0,01 0,01 8,43± 0,15 0,14± 0,01 0,03± 0,01 5,22± 0,91 0,69± 0,01 0,07± 0,01 0,27± 0,01 8,18± 0,14 0,33± 0,01 0,04± 0,01 6,08± 1,01 0,67± 0,01 0,10± 0,01 0,33± 0,01 6,51± 0,10 0,42± 0,01 0,12± 0,01 Органическое вещество,% 4,63± 0,95 N,% SO42-, % 3. Наличие патогенов в органических удобрениях. При закладке опыта в полуперепревшем навозе КРС были обнаружены следующие виды паразитов: Ascaris suum, Oesophogostomum dentatum, Strongyloides ransomi, Trichocephalus suis, представляющих класс Nematoda. На период закладки опыта содержание яиц указанных паразитов по вариантам колебалось в пределах ошибки опыта. Через месяц в опыте отмечено снижение количества жизнеспособных яиц всех паразитов. Наиболее устойчивыми оказались Ascaris suum и Oesophogostomum dentatum. Через два месяца компостирования навоза в обоих вариантах содержание яиц паразитов резко сократилось и в опытном варианте остались живые яйца паразитов только у Ascaris suum в количестве 4,2 шт./кг массы; к четвертому месяцу на контрольном варианте число яиц этого паразита составило в среднем 0,7, а в опытном варианте – 0,05 шт./кг массы. Через 5 месяцев компостирования в варианте со сложным компостом жизнеспособных яиц Ascaris suum не сохранилось. 355 4. Сложный компост и агрофизические свойства почвы. Гранулометрический состав является одним из важных признаков качественной оценки почвы, оказывающим влияние на все ее свойства – тепловые, водные, воздушные, физико-химические, биохимические, обеспечение растений элементами питания и уровень плодородия в целом. Экологическая значимость гранулометрического состава определяется прежде всего обусловленным с ним богатством и бедностью почвы. По мере возрастания количества илистых частиц увеличивается и плодородие почвы. Чернозем обыкновенный на опытном поле в хозяйстве во все годы исследований (2007–2012) имел хорошее агрегатное состояние. По полученным нами данным, содержание агрономически ценных агрегатов и коэффициент структурности почвы на контроле (без внесения сложного компоста) был ниже по сравнению с вариантом, где вносился сложный компост. Содержание агрономически ценных агрегатов в первый год исследований в опытном варианте (с внесением сложного компоста) был в среднем на 5,20±0,23% выше по сравнению с контролем. Коэффициент структурности, следовательно, также статистически значимо увеличивался и составлял 1,52±0,03 на контроле и 1,89±0,04 в варианте с внесением сложного компоста соответственно. Внесение сложного компоста в почву способствует усилению агрегирования в ее корнеобитаемом слое, созданию благоприятной комковато-зернистой структуры, которая в свою очередь оптимизирует условия для роста и развития сельскохозяйственных растений. Усиление агрегации почвы является важным процессом для сокращения потерь еѐ органического вещества, поскольку образующиеся агрегаты выполняют роль основного хранителя органического углерода (Славгородская, 2010 в, г; 2011; 2012 б; Белюченко, 2014 б). 3.5. Сложный компост и биологические свойства почвы. Сравнительный микробиологический анализ почвы участка с внесением сложного компоста показал, что доминирующее положение здесь занимает прокариотный комплекс, численность которого на несколько порядков превышает численность микроскопических грибов. Общая численность бактерий на опытных участках в период проведения исследований составляли от 8х10-6 до 24х10-6 КОЕ/г (табл. 14.3). 356 Таблица 14.3. Влияние сложного компоста на численность эколого-трофических групп микроорганизмов Вариант опыта Контроль (NP) Полуперепревший навоз КРС Сложный компост Микроорганизмы АммониАмилоОлигофицируюлитичетрофные, щие, ские, *10-5 -6 -6 *10 КОЕ/г *10 КОЕ/г КОЕ/г 16 8 34 Нитрифицирующие, титр 10-5 -4 19 12 34 10 24 16 38 10-3 Микромицеты, *10-3 КОЕ/г 6 8 12 6. Сложный компост и продуктивность растений. Сравнивая состояние побегов озимой пшеницы в фазе молочно-восковой спелости по вариантам опыта, можно отметить, что на опытном участке зеленых листьев у значительной части побегов сохранилось больше, чем на контроле. Окраска листьев более темная, желтеть начинают только верхушки средних и верхних листьев, а на контрольном участке все верхние листья к этому времени уже имели желтую окраску. Различалась по вариантам опыта и окраска колосьев: в варианте с внесением сложного компоста они имели светло-зеленые колоски, а на контроле сильно пожелтевшие. В варианте с использованием сложного компоста количество побегов в расчете на единицу площади значительно превысило контрольный вариант и составило соответственно 585 и 396 на 1 м2 (табл. 14.4). Анализ количественных показателей растений озимой пшеницы, отобранных перед уборкой урожая в июле 2010 г., также показал наибольшее количество колосьев на 1 м2 в опытном варианте со сложным компостом. При сравнении массы 1000 зерен (г) отмечено более высокое ее значение в варианте с внесением сложного компоста во все годы исследований, что в свою очередь отразилось и на урожайности озимой пшеницы. Сравнительная оценка экономических показателей технологии возделывания сахарной свеклы на четвертый год действия сложного компоста показала ее экономическую эффективность. При выращивании сахарной свеклы повышение еѐ себестоимости на 13,7% 357 увеличивает уровень рентабельности на 26,7 процентных пункта по сравнению с контрольным вариантом (табл. 14.5). Таблица 14.4. Влияние сложного компоста на развитие растений озимой пшеницы, 2008 г. Показатель Количество побегов/м2 Колосков в колосе, шт. Число колосьев/м2 Масса 1000 зерен, г Количество побегов/м2 Колосков в колосе, шт. Число колосьев/м2 Масса 1000 зерен, г Количество побегов/м2 Колосков в колосе, шт. Число колосьев/м2 Масса 1000 зерен, г СтанКоэффицидартная ент вариаошибка ции,% Сложный компост 585,0 27,14 31,74 17,1 0,36 11,15 529,0 27,13 32,14 40,2 0,17 21,84 Полуперепревший навоз КРС 417,3 25,3 31,25 18,3 0,37 12,17 429,3 18,32 31,19 40,1 0,17 20,19 Контроль (NP) 396,0 24,72 35,46 18,9 0,39 14,17 389,0 14,75 27,14 40,4 0,16 20,9 Среднее Максимум Минимум 647,4 20,0 554,7 41,8 495,8 15,2 509,6 39,6 650,3 20,7 550,4 40,9 480,5 15,6 500,3 38,7 475,5 22,0 421,2 42,6 342,7 15,8 368,5 39,9 7. Баланс тяжелых металлов в агроландшафте. Сочетание полезных характеристик отходов в зависимости от экологического состояния почвенного покрова позволяет создавать разнообразные сложные компосты, внесение которых в почву существенно дополняет и улучшает еѐ физические, химические и биологические свойства, функционально усиливает экологические взаимосвязи в ней. Такой подход к восстановлению экологических функций почвы является серьезной альтернативой существующим в настоящее время агротехнологиям возделывания сельскохозяйственных культур, основанных на использовании мощной техники, больших доз минеральных удобрений и пестицидов. Конкретные практические мероприятия должны отличаться переходом на взаимовыгодный характер отношений человека и природы, направленный, с одной стороны, на приостановление деградационных процессов в агроландшафтах и их основных составляющих (почвенного и растительного покровов), а с другой – на получение экологически безопасной продукции. 358 Таблица 14.5. Показатели технологии возделывания сахарной свеклы в ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района, 2011 г. Сахарная свекла (2011 г.) Контроль Сложный компост 326,3 453,7 +127,4 150 150 48945 68055 19110 110,0 91,3 35893 41407,2 422,5 5091,7 5514,2 13052 26647,8 13595,8 36,4 63,1 Показатель Урожайность, ц/ га Прибавка урожая, ц/ га Цена реализации 1 ц, руб. Стоимость валовой продукции, руб. в т.ч.: дополнительной Себестоимость 1 ц, руб. Производственные затраты на 1 га, руб. в т.ч.: затраты на внесение компоста затраты на уборку дополнительного урожая сумма дополнительных затрат Чистый доход с 1 га, руб. в т.ч.: дополнительный Уровень рентабельности,% Результаты исследований показали, что использование сложного компоста в качестве комплексного мелиоранта чернозема обыкновенного существенно влияет на агрономические свойства почвы, функционирование почвенных организмов, урожайность сельскохозяйственных культур и качество их продукции. Отмечено улучшение почвенной структуры чернозема обыкновенного и его противоэрозионной способности. Разуплотнение пахотного слоя почвы под воздействием сложного компоста способствует интенсивному развитию подземных структур растений сельскохозяйственных культур, а улучшение его воднофизических свойств (накопление и сохранение воды в почве) сказывается на формировании благоприятных условий их вегетации. 8. Баланс ТМ при внесении минеральных удобрений. При выращивании сельскохозяйственных культур в севообороте с внесением минеральных удобрений (2001-2006 гг.) в верхнем слое чернозема обыкновенного концентрация отдельных элементов в почве заметно превышает их вынос. Наоборот, доля цинка и марганца снижается, что, очевидно, связано с тем, что указанные элементы выступают важными источниками питания, особенно технических культур (Муравьев, Белюченко, 2008 б). Концентрация тяжелых металлов в верхнем слое почвы определяется уровнем содержания в нем гумуса, гранулометрическим составом, емкостью поглощения отдельных элементов и другими свойствами. Для значительной части элементов «минеральный» вариант их накопления в почве превышает вынос, способствуя их аккумуляции в верхнем слое почвы за относительно короткий период (2001-2006 гг.) (табл. 14.6). 359 Таблица 14.6. Баланс тяжелых металлов в зерново-пропашном севообороте на черноземе обыкновенном при внесении в почву минеральных удобрений, кг/га в год (ОАО «Заветы Ильича», среднее за 2001-2006 гг.) Показатели Атмосферные осадки (550 мл/год) ГМС, кг/га Органические удобрения (5 т/га) Фосфорные удобрения (80 кг/га) Азотные удобрения (50 кг/га) Калийные удобрения (20 кг/га) Пыль (143 кг/га в год) Посевной материал (45-50 ц/га) Солома (22 ц/га) Корни растений(35 ц/га) Почва, кг/га Всего поступило, кг/га Пшеница на зерно (50 ц/га) – 40% Кукуруза на зерно (70 ц/га) – 10% Свѐкла, корнеплоды (350 ц/га) – 15% Подсолнечник на семена (22 ц/га) – 25% Люцерна на зеленую массу (180 ц/га) – 15% Ветровая и водная эрозия (150 кг/га) Всего вынос, кг/га Баланс, кг/га Co Zn Cu Mn Pb Поступление элементов в почву, кг/га Cd 0,0002 0,012 0,0012 0,008 0,03 0,15 0,0015 0,075 0,082 0,00012 0,0014 0,002 0,38 0,05 0,68 0,005 0,021 0,02 0,011 1,34 0,27 1,17 0,095 0,012 0,17 0,0063 0,45 0,12 0,32 0,15 0,0011 0,12 0,0001 0,20 0,007 0,74 0,0083 0,0012 0,017 0,024 2,04 0,54 3,15 0,082 0,15 0,66 0,00009 0,11 0,10 0,14 0,0025 0,00005 0,0094 0,00004 0,12 0,002 1,07 0,0019 0,00007 0,012 0,0015 0,12 0,0095 0,68 0,0092 0,00084 0,13 45,18 0,840 115,49 27,04 160,17 54,975 1520,17 0,00011 0,00003 Ni 27,11523 165,092 56,0762 1528,203 45,61601 Вынос элементов из почвы, кг/га 0,00003 1,02641 116,62983 0,022 0,535 0,325 0,570 0,195 0,0068 0,315 0,021 0,412 0,137 0,410 0,120 0,0021 0,135 0,020 0,470 0,247 0,410 0,143 0,0022 0,164 0,0146 0,710 0,119 1,105 0,158 0,0016 0,022 0,094 0,594 0,136 1,312 0,290 0,005 0,143 0,132 2,240 1,454 3,710 0,210 0,127 0,138 0,3036 4,961 2,418 7,517 1,116 26,81163 160,131 53,6582 1520,686 44,50001 360 0,1447 0,917 0,88171 115,7128 При сравнении содержания тяжелых металлов в верхнем слое почвы установлено, что в течение 5 лет «минерального варианта» происходит ежегодное увеличение количеств меди, свинца, кадмия и никеля; остальные металлы к пятому году несколько снижают своѐ содержание в верхнем слое почвы. Главным источником поступления тяжелых металлов в агроландшафте являются в основном минеральные удобрения, с которыми в почву их поступает около 90%, включая Zn – 91, Cd – 87, Cu – 89, Pb – 84, Mn – 92, Ni – 86, Co – 8%. Важной статьей баланса тяжелых металлов является их вынос с отчуждаемым урожаем. Ежегодное накопление в почве ТМ составляет от десятых до сотых долей от их фонового содержания в черноземе обыкновенном, и большого негативного влияния они пока не оказывают. Относительно большое поступление тяжелых металлов в почву характерно для меди, кадмия, свинца и никеля. Внесение органических удобрений за период 2001-2006 год особого влияния не имело, поскольку их внесение за этот период было незначительным (5-7 т/га). Значительное поступление ряда тяжелых металлов отмечено при внесении фосфорных удобрений, у которых их содержание в примесях (особенно цинка, марганца, никеля и меди) было относительно высоким. Обработка почвы, особенно пахота, культивации, а также посев и уборка культур оказали существенное влияние на увеличение в субстрате содержания цинка (свыше 0,15 кг/га), марганца (до 0,07), свинца (до 0,08 кг/га). При внесении азотных удобрений повышается содержание цинка (0,45), меди (свыше 0,1), марганца (0,3), никеля (0,12) и свинца (0,15 кг/га). Калийные удобрения в среднем на 1 га увеличивают количество тяжелых металлов до 30 кг/га, и их привнос отразился в основном на содержании цинка (свыше 0,2) и марганца (0,74 кг/га). Значительным поступлением ТМ в почву выделяется пыль, доля которой с 2001 по 2006 год составила в среднем 143 кг/га в год. В оседающей пыли отмечается высокая концентрация цинка (свыше 2 кг/га); марганца (свыше 3), а концентрации меди (свыше 0,5), никеля (0,6), кадмия (0,15), свинца (0,08) и кобальта (0,02 кг/га) существенно ниже. Привнос ТМ с посевным материалом был незначительным. Можно отметить только цинк, марганец и медь, содержание которых превысило 0,1 кг/га. 361 В почву поступает определенное количество ТМ с отстатками соломы: марганца около 1 кг/га и цинка до 0,1 кг/га. Поступление остальных ТМ было весьма незначительным. С корнями растений в среднем поступило в почву до 0,6 кг/га марганца, до 0,1 цинка и никеля. Остальные металлы поступили на уровне сотых и тысячных долей кг/га. В целом содержание ТМ в почве широко варьировало по отдельным элементам. Поступление в почву ТМ с удобрениями, атмосферными осадками и другими составляющими по разным элементам различалось в довольно больших пределах. Важное значение представляют выносы элементов из почвы, что в значительной степени зависит от урожая отдельных культур. Основная часть выноса ТМ с урожаем приходится на пшеницу, посевы которой на зерно составили 40% при урожае 50 ц/га, подсолнечник, площади под которым составили 25% при урожае 22 ц/га, кукурузу на зерно, соответственно 10% и 70 ц/га, корнеплоды свеклы, 15% и 350 ц/га. Площади, занимаемые люцерной на зеленую массу, в среднем составили 15%, а урожай еѐ зеленой массы – 180 ц/га. Значительная часть выноса тяжелых металлов приходится на ветровую и водную эрозии. 9. Баланс ТМ при внесении сложного компоста. В 2006 г. нами начаты экспериментальные исследования по приготовлению сложного компоста на 2007 г. с включением полуперепревшего навоза КРС и свиней, фосфогипса и других промышленных и сельскохозяйственных отходов для получения сложной смеси, обогащенной макроэлементами (серой, кальцием и фосфором) и многими микроэлементами. Полученные результаты показали перспективность получения эффективного сложного удобрения, обогащенного органическим веществом, с одной стороны, и комплексным набором минеральных элементов и их смешанным коллоидным составом, с другой (Белюченко и др., 2012 в). Ряд элементов (Ca, S, P) и микроэлементов (особенно Co, Mn, Ni, Zn и другие) и значительное содержание азота благоприятствуют улучшению водного и воздушного режимов почвы, переходу в труднодоступное состояние основных ТМ и неметаллов. Для исследования периодически отбирались образцы верхнего слоя почвы на полигоне мониторинга. Результаты внедрения севооборота на основе использования упрощенной технологии подготовки почвы по типу посев – уборка с вне362 сением сложного компоста (табл. 14.7) показали, что по сравнению с 2006 накопление к 2012 г. кобальта, свинца и меди было незначительным. Несколько повысились запасы марганца, цинка и никеля. Сравнительное изучение тяжелых металлов в верхнем слое почвы указывает на возможности поиска условий снижения их концентрации. Таблица 14.7. Валовые запасы ТМ в верхнем слое почвы в 2001-2012 гг. (кг/га) Год анализа Co 2001 г. 22,46 2006 г. 25,54 2012 г. 26,81 Среднее за год (2001-2006 гг.) 0,60 Среднее за год (2007-2012 гг.) 0,25 Zn 155,90 145,30 158,40 -2,10 2,62 Cu Mn Pb 47,08 1461,66 40,58 54,00 1454,10 45,38 55,08 1509,00 43,80 1,38 -1,51 0,96 0,22 10,92 -0,32 Cd 0,23 0,44 0,70 0,04 0,05 Ni 98,66 104,02 115,00 1,07 2,19 Результаты практического испытания сложных компостов показали перспективность использования различных органических и минеральных отходов в качестве сырья для получения удобрения, сдерживающего накопление валовых запасов ТМ, снижающего их накопление растениями и заметно улучшающего физические свойства почвы (Белюченко, Мельник, 2010). Сложный компост, в котором регулируется кислотность и уровень содержания органического вещества, можно получить при смешивании определенного количества навоза, отходов растениеводства, а также отходов химического производства (например фосфогипса), внеся его в почву после созревания в позднелетний и раннеосенний периоды (Белюченко, 2011 в, 2012 а). Такой компост способен поддерживать влажность в верхнем слое на 12% и выше по сравнению с контролем, что определенным образом сказывается на переводе растворенных форм ТМ в труднодоступные за сравнительно короткий период (табл. 14.8). Таким образом, с учетом вышеизложенного при весьма заметной трансформации верхнего слоя почвы под влиянием человека возможна организация научнообоснованной системы по борьбе с их загрязнением ТМ. Переход на подготовку сложных компостов и их использование в севообороте по 6-летнему типу будет существенно влиять на стабильность процессов осаждения растворимых ТМ и поддержания концентрации их подвижных форм на относительно низком уровне (Белюченко, 2005в; Белюченко, Никифоренко, 2012). 363 Таблица 14.8. Баланс тяжелых металлов в агроландшафте зернопропашного севооборота на черноземе обыкновенном с использованием сложного компоста в ОАО «Заветы Ильича», кг/га в год (в среднем за 2007-2012 гг.) Показатели Атмосферные осадки (500 мл/год) ГМС, кг/га Органические удобрения (25 т/га) Фосфорные удобрения (80 кг/га) Азотные удобрения (30 кг/га) Калийные удобрения (20 кг/га) Пыль (120 кг/га в год) Посевной материал (45-50 ц/га) Солома (20 ц/га) Корни растений(30 ц/га) Почва, кг/га Всего поступило, кг/га Пшеница на зерно (50 ц/га) – 35% Кукуруза на зерно (75 ц/га) – 15% Свѐкла, корнеплоды(400 ц/га) – 15% Подсолнечник на семена (25 ц/га) – 20% Люцерна на зеленую массу (200 ц/га) – 15% Ветровая и водная эрозия, кг/га Всего вынос, кг/га Баланс, кг/га Co Zn Cu Mn Pb Поступление элементов в почву Cd Ni 0,0001 0,009 0,0002 0,001 0,00001 0,00002 0,00002 0,002 0,080 0,0007 0,030 0,006 0,00005 0,045 2,240 0,310 3,420 0,027 0,120 0,101 0,004 0,950 0,090 0,750 0,040 0,006 0,080 0,0007 0,280 0,070 0,150 0,007 0,0005 0,006 0,170 0,009\ 0,620 0,007 0,001 0,008 0,012 2,140 0,400 2,970 0,024 0,012 0,400 0,00008 0,080 0,006 0,084 0,0027 0,00006 0,009 0,00005 0,00003 0,070 0,002 0,670 0,0014 0,054 0,0092 0,470 26,81 158,350 55,080 1509,00 26,875 164,420 55,980 1518,65 Вынос элементов из почвы 0,0007 0,0017 0,00005 0,011 0,009 0,0008 0,045 43,800 0,700 115,00 43,920 0,840 115,720 0,0108 0,481 0,226 0,485 0,120 0,0036 0,225 0,0252 0,322 0,163 0,343 0,048 0,0014 0,126 0,018 0,456 0,252 0,384 0,128 0,0018 0,136 0,0132 0,567 0,123 1,022 0,150 0,0012 0,010 0,120 0,668 0,124 1,246 0,350 0,004 0,124 0,112 1,940 1,250 2,670 0,160 0,144 0,130 0,300 4,430 2,140 6,150 26,580 159,960 53,840 1512,50 0,960 42,960 0,156 0,750 0,684 114,970 Баланс ТМ в изучаемом 6-польном севообороте рассчитывался с учетом вновь разработанного плана внесения удобрений на основе новой технологии: сокращение обработки почвы и переход на двухзвенный цикл выращивания сельхозкультур (посев – уборка). Изменение 364 технологии выращивания растений, включая и систему удобрений, существенно улучшает количество и качество их продукции (Белюченко, 2011 в). Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах хозяйства и районах степной зоны края. Изучение распределения тяжелых металлов в пределах одного хозяйства (его площадь свыше 8000 га) на основе отбора проб почвы с шагом 500 х 500 м при площадных съемках, выполненных в основном в 2001 и 2006 гг. по верхнему слою почвы, а также мониторинг их динамики по сезонам года (площадь мониторинга 450 га) дает возможность анализа полученных результатов. Учитывая, что 22 района северной зоны края характеризуются сходными условиями почвообразования, хозяйствования и использования земель, климатическими и природными параметрами, мы поставили задачу сравнения статистических материалов, полученных в хозяйстве «Заветы Ильича», с данными соответствующих районов. Полученные результаты побудили нас проанализировать статистические показатели среднего содержания подвижных форм свинца и цинка в хозяйстве «Заветы Ильича» в сравнении с другими административными районами степной зоны края, обследованными нами в 2006 году (табл. 14.9, 14.10). Сравнение среднего содержания подвижных форм цинка в почве агроландшафта ОАО «Заветы Ильича» и административных районов степной зоны края было выполнено с использованием t-критерия Стьюдента с вероятностью =0,05. Аналогичная работа выполнена и для свинца. Было установлено, что практически во всех случаях t набл t крит ( , f ) принимается нулевая гипотеза о том, что на 5% уровне значимости нет различий между показателями среднего содержания подвижных форм свинца в почвах агроландшафта ОАО «Заветы Ильича» и других районов степной зоны края. С учетом анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы: 1. Сельскохозяйственное производство сопровождается образованием жидких, газообразных и твердых отходов, выход которых за пределы объектов оказывает влияние на почвы, водные системы, растения, животных, что указывает на необходимость разработки мероприятий по охране ландшафтов. 365 Таблица 14.9. Статистические характеристики среднего содержания в почве подвижных форм цинка по районам степной зоны края N п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Административный район х. Коржи Брюховецкий Выселковский Динской Ейский Кавказский Калининский Каневской Кореновский Красноармейский Крыловской Кущевский Ленинградский Новопокровский Павловский ПриморскоАхтарский Славянский Староминский Тбилисский Тимашевский Тихорецкий Усть-Лабинский Старощербиновский СтанДоверительный КолСреднее дартная интервал при Р0,05 во значение ошибка нижний верхний проб 106 5,09 0,18 4,73 5,45 52 4,64 2,29 20,03 29,24 67 4,88 0,92 10,03 13,73 86 4,59 1,51 10,59 16,59 101 4,27 1,32 6,65 11,90 101 4,86 0,93 13,03 16,70 94 4,86 0,93 13,03 16,70 60 5,02 0,46 4,91 6,73 67 4,71 0,72 3,27 6,15 tнабл tкрит 3,17 3,87 3,60 3,34 3,03 4,03 4,15 4,06 1,98 1,97 1,97 1,97 1,97 1,97 1,97 1,97 60 5,07 0,55 4,29 6,46 4,06 1,97 97 84 77 72 56 4,69 4,31 4,89 4,15 4,58 1,52 0,20 1,20 0,73 0,67 10,66 1,91 11,49 6,70 6,24 16,73 2,72 16,29 9,59 8,91 3,72 4,01 3,92 3,44 4,37 1,97 1,97 1,97 1,97 1,97 45 5,00 0,53 3,94 6,06 4,02 1,97 71 79 63 56 52 67 5,09 5,09 4,82 4,21 4,09 4,47 0,43 0,41 1,66 0,76 1,66 1,55 4,24 4,86 17,48 5,70 19,79 13,38 5,95 6,52 24,17 8,72 26,39 19,57 5,00 5,17 4,40 3,32 3,19 3,92 1,97 1,97 1,98 1,97 1,98 1,97 86 5,05 0,95 7,15 10,96 4,54 1,97 2. Для твердых отходов (экскременты, удобрения) предложена система мероприятий по их широкому использованию в сельскохозяйственном производстве (промышленное использование для производства органических и органоминеральных удобрений. 3. Для сбросов отмечается необходимость совершенствования системы очистки и остановки работы СТФ, для выбросов и сбросов – применение современных методов очистки и их промышленной пере- 366 работки; в целом предложена система охраны ландшафтных систем и прежде всего почв. Таблица 14.10. Статистические характеристики среднего содержания подвижных форм свинца по районам степной зоны края N Доверительный КолСтанп/п Административный во Среднее дартная интервал при Р0,05 район значение проб ошибка нижний верхний 1 106 3,37 0,05 3,27 3,48 х. Коржи 2 52 3,23 0,11 1,51 1,94 Брюховецкий 3 67 2,25 0,07 2,23 2,53 Выселковский 4 86 2,68 0,10 2,48 2,88 Динской 5 86 2,96 0,13 1,71 2,22 Ейский 6 101 3,22 0,09 1,63 2,01 Кавказский 7 65 2,57 0,09 1,39 1,74 Калининский 8 94 3,16 0,04 1,08 1,25 Каневской 9 60 2,92 0,10 1,73 2,12 Кореновский 10 Красноармейский 67 2,01 0,11 1,79 2,22 11 Крыловской 60 3,23 0,15 2,93 3,54 12 Кущевский 97 3,14 0,17 3,60 4,28 13 Ленинградский 61 2,91 0,16 2,59 3,23 14 Новопокровский 84 1,95 0,07 1,81 2,08 15 Павловский 92 3,08 0,13 3,12 3,64 16 17 18 19 20 21 22 23 ПриморскоАхтарский Славянский Староминский Тбилисский Тимашевский Тихорецкий Усть-Лабинский Старощербиновский tнабл tкрит 2,75 2,22 2,65 2,08 2,43 2,03 3,22 2,55 1,32 3,11 3,02 2,34 1,73 3,11 2,00 2,02 2,09 2,09 2,57 2,02 2,18 2,01 2,02 2,01 2,26 2,01 2,07 2,14 77 2,61 0,09 1,43 1,78 1,87 2,05 72 56 45 71 79 63 2,51 3,39 3,33 2,44 3,40 2,83 0,14 0,22 0,19 0,13 0,15 0,10 2,23 2,96 3,44 1,19 3,40 2,63 2,79 3,83 4,21 1,69 3,99 3,02 1,66 3,01 3,32 1,63 2,22 2,58 2,03 2,01 2,00 2,03 2,05 2,02 56 2,96 0,22 3,51 4,40 2,33 2,01 4. Поддержание экологически чистой почвенной среды подразумевает системное и обоснованное применение механических, химических и технологических методов снижения количества тяжелых металлов с использованием различных вариантов фиторемедиации, включая фитостабилизацию и фитоэкстракцию (экскавация загрязнен367 ного слоя почвы и еѐ транспортировка, химическая обработка, выщелачивание из почвы кислых растворов и т.д.). 5. Не отмечено различий между показателями среднего содержания подвижных форм цинка и свинца в почвах агроландшафта хозяйства и административных районов степной зоны Краснодарского края во всех случаях t набл t крит ( , f ) на 5% уровне значимости, что дает нам возможность контроля изучаемых элементов по их концентрации в любом пункте. 368 ГЛАВА 15. РОЛЬ СЛОЖНОГО КОМПОСТА В РАЗВИТИИ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ И АГРАРНЫХ ЛАНДШАФТОВ ЗАПАДНОГО ПРИАЗОВЬЯ FEATURES OF DEVELOPMENT OF NATURAL SISTEMS AND AGRICULTURAL LANDSCAPES OF WESTERN AZOV In the development of the natural ecosystems of the Western Priazovya predominates its biomass. This ensures maximum protection from noticeable changes habitat. Basic succession defining a significant shift of energy flow in the direction to increase their expenditures to maintain forming populations determined by broad specialization natural systems on ecological niches, and their individual highlights small size, the life cycles of many of them are very simple and short. The coastal strip of the Azov Sea has been seriously degraded due to powerful recreational load, especially in the summer. Presumably should expect increased anthropogenic load on ecosystems of this area. Quite obvious regularity of overload agroecosystem occupying the territory between the river and other water formations. The relatively low productivity of agricultural systems Eastern Azov is limited by number of factors, among which the main place is occupied the moisture, nutrients and high weediness sown areas. Развитие природных систем. В развитии природной экосистемы Западного Приазовья преобладает еѐ биомасса, чем и достигается максимальная защищенность от заметных изменений среды обитания. Основные сукцессии, определяющие существенный сдвиг потока энергии в направлении усиления их затрат на поддержание формирующих популяций, определяются широкой специализацией природных систем по экологическим нишам, их особи выделяются небольшими размерами и жизненные циклы многих из них весьма простые и короткие. Прибрежная полоса Азовского моря сильно деградирована из-за мощной рекреационной нагрузки, особенно в летний период. Предположительно, в перспективе следует ожидать усиления антропогенной нагрузки на экосистемы этой зоны. Вполне очевидна закономерность перегрузки агросистем, занимающих территории между речными и другими водными формированиями. Сравнительно невысокая продуктивность агросистем Восточного Приазовья лимитируется ря369 дом факторов, среди которых основные – влага, питательные вещества и высокая засоренность посевных площадей. Важной целью любого природного сообщества является формирование стабильной экосистемы, в которой на единицу энергии приходится максимум продукции биомассы и оптимум симбиотических связей между живыми организмами. Основная задача в развитии природной экосистемы заключается в преобладании еѐ биомассы в условиях среды обитания, чем и достигается еѐ максимальная защищенность от резких изменений физических условий среды. Изучение степных природных сообществ, морского побережья и других территорий Кубанского Приазовья показало, что основные сукцессии обусловили существенный сдвиг потока энергии в направлении усиления их затрат на поддержание формирующих популяций. Широкая специализация по экологическим нишам в Приазовье выделяется видовое разнообразие небольшими размерами, а их жизненные циклы весьма простые и непродолжительные (Белюченко, 1997). Климат района в целом континентальный (годовое количество осадков около 500 мм, средние температуры июля плюс 23-25°С, а января минус 1-4°С. Почвы самые различные: черноземы карбонатные и слабогумусные на Тамани (отличаются каштаново-серой или буровато-серой окраской с постепенным переходом между горизонтами и содержанием гумуса до 3%); значительные площади (свыше 200 тыс. га) в этой зоне занимают засоленные земли – солончаки: приморские, лугово-болотные (плавневые) и луговые (содержание гумуса разное – от 2 до 8% и содержание солей до 5-10%) и солонцы (содержание гумуса до 3% и обменного натрия до 10% от емкости поглощения); на Ейском полуострове – солоди (содержание гумуса до 4%). Равнинные площади этой зоны заняты сельскохозяйственным производством; выращиваются виноград, зерновые (пшеница, кукуруза, ячмень, рис), бобовые (горох, соя, люцерна), технические (сахарная свекла, подсолнечник), овощные, эфиромасличные, лекарственные и другие хозяйственно-ценные растения. Степные сообщества занимают прибрежные районы этой зоны на эродированных склонах, вдоль русел рек и овражных систем, и составляющие их виды отличаются выраженной ритмичностью развития с относительно низкой продуктивностью; отдельные сообщества выделяются сезонной флористической неполночленностью, определяемой спецификой годового температурного режима и в определенной степени географической обособленно370 стью указанной зоны. Прибрежная полоса Азовского моря сильно деградирована из-за весьма мощной рекреационной нагрузки, особенно в летний период. В ближайшие годы следует ожидать усиления антропогенной нагрузки на экосистемы этой зоны, что связано с заметным изменением социального устройства края (Белюченко и др., 1999; Белюченко, 2001б; Белюченко и др., 2002). Кубанское Приазовье ассоциируется в основном с дельтой реки Кубани, занимающей свыше 4000 км2 и включающей около 250 лиманов, переходящих в крупнотравные плавни (площадь до 4000 км2). Растительность зоны – травянистая, солончаковая, псаммофитная, луговая, болотная, водная; древесно-кустарниковая встречается редко и занимает небольшие территории пойм и устьев рек. Засоленные земли заняты галофитами (солянки, солеросы). В целом флора района насчитывает до 100 видов растений (лекарственных, медоносных, эфироносных); свыше 20 видов растений занесено в Красную Книгу: мачок желтый, беллевалия сарматская, пион тонколистный, ковыль перистый и т.д. (Glaucium flavum, Bellevalia sarmatica, Paeonia tenuifolia, Stipa pennata и др.). Животный мир Приазовья и Азовского моря достаточно богат, чему способствует широкое разнообразие мест обитания и наличие весьма значительной кормовой базы; около 20 видов (выдра кавказская, гигантская вечерница, трехцветная ночница и др.) занесены в Красную Книгу (Lutra lutra meridionalis, Nyctalus lasiopterus, Myotis emerginatus). В Кубанском Приазовье (на суше и в море) в сообществах растений и животных из-за непродуманной деятельности человека нарушаются сложившиеся цепи питания, сокращается видовое разнообразие фито- и зоопланктона, что заметно снижает количество энергии по всем пищевым звеньям цепи и вызывает существенное уменьшение продуктивности экосистем этого бассейна (Белюченко, 2005г). Приазовские природные системы весьма чувствительны к разного рода загрязнителям (тяжелым металлам, пестицидам, удобрениям и т.д.). Значительным источником загрязнения водоемов и почв зоны являются нефтепродукты, отличающиеся высокой химической стойкостью, а также отходы, возникающие в период бурения геологоразведочных и промышленных скважин: отработанный буровой раствор, буровые сточные воды и буровой шлак, содержащие нефть и нефтепродукты, которые различны по составу, физическим и химическим 371 свойствам и токсичности, а также используемые при бурении материалы. Практически все системы этой зоны в местах скопления таких материалов утрачивают равновесие, а входящие в них организмы погибают и не выявляют свое присутствие десятки лет. В настоящей главе постараемся обобщить материалы наших исследований и наблюдений с целью анализа стратегии развития экосистем Приазовья без промышленного вмешательства в их деятельность (Белюченко, 200 5г; Белюченко, Мельник, 2010). Различные сообщества Восточного Приазовья находятся на разных ступенях сукцессионного развития. Антропогенное воздействие на сообщества в различных зонах существенно задерживает процессы их развития в направлении терминальной стабилизированной системы – климакса. Этим объясняется то обстоятельство, что практически все системы (прибрежные, степные, прирусловые, лиманные) от Темрюка до Ейска характеризуются высокой энтропией, низкой устойчивостью к внешним воздействиям, большими потерями биогенных веществ, низкой продуктивностью, преобладанием в круговороте питательных веществ пастбищного типа, а отсюда и высокой скоростью обмена биогенных веществ между биотой и физической средой. Различные сообщества выделяются ограниченным видообразованием, слабо выраженной ярусностью и пространственной гетерогенностью. Основные наземные сообщества отличаются также низкой продуктивностью биомассы на единицу затраченной энергии (Белюченко, 2004; Белюченко, Мамась, 2005). Скорость и продолжительность изменений систем, необходимых для достижения ими климаксного состояния, будут варьировать в различных орографических условиях. Лиманы и реки отличаются заметной эвтрофикацией в результате поступления в водоемы питательных веществ с водосбора, а нередко из-за спуска в них сточных (зачастую и промышленных) вод и поверхностного стока с удобренных полей. Многие сукцессии отличаются простыми связями между организмами, входящими в состав пищевых цепей, и находятся они еще на развивающихся стадиях. В ряде сообществ отмечаются признаки ранних стадий развития экосистем, отличающихся практически линейными связями между организмами. Использование чистой продукции в основном гетеротрофное по схеме: растение – растительноядное – хищник. В некоторых экосистемах, особенно в прибрежных, наблюда- 372 ется усложнение пищевых цепей, и тогда некоторая часть энергопотока направляется по детритному пути. На Тамани в ненарушенных прибрежных экосистемах наблюдается усложнение связей и взаимных адаптаций между детерминантами и консортами, что способствует формированию ряда механизмов, снижающих отчуждение растений (например, увеличение особей с плохо переваримыми стеблями), обеспечивает биоценозу возможность поддерживать развитую и усложняющуюся структуру, которая смягчает резкие изменения в физической среде. Изменения, вызываемые внешними факторами (например, распашка), легко разрушают эти защитные механизмы и вызывают массовое размножение некоторых видов, что слишком поздно обнаруживается (Белюченко, 2005в). Различные наземные сукцессии варьируют весьма заметно, но в целом следует оценить их как слабо развитые. При ограничении выпаса скота снижаются пожары и уменьшается общее антропогенное воздействие, возрастает разнообразие видов и их плотность (число видов на единицу площади), о чем свидетельствуют результаты наших исследований на Тамани. Увеличение числа видов на территориях изучаемой зоны сопровождается снижением доминирующей роли отдельных видов, а также изменениями показателей других, (например, проективное покрытие, плотность травостоя, снижение эрозии верхнего слоя почвы, уплотнение дернины и т.д.). Размеры ряда организмов увеличиваются как и продолжительность их активной вегетации, усиливается межвидовая и внутривидовая конкуренция, что в конечном итоге ускоряет переход сукцессии к кульминационной точке еѐ развития. Динамичность развития мало затрагиваемых человеком территорий объясняется, с одной стороны, снижением отрицательного пресса на их сообщества и использованием последними значительной части энергии на строительство симбиотических связей и усложнение пищевых цепей, а с другой, ускорением перемещения биогенных веществ из неорганической формы в органическую (Раменский, 1938; Работнов, 1985; Уиттекер, 1980). В связи с ускорением развития экосистем биогенные вещества быстрее и активнее вовлекаются в биомассу и четко обозначаются крупные виды и особи, обладающие большими возможностями в накоплении продукции. Нарастание числа видов свойственно средним и даже ранним стадиям сукцессии, что позволяет заключить, что некоторые сообщества Восточного Приазовья далеки от кульминационного 373 порога в их развитии. В развитых сообществах конкуренция между видами сглаживается их временным разграничением, тогда как в слабо развитых, подвергающихся антропогенному воздействию сообщества впрессованы практически все виды в короткое весеннее время. Неразвитость наземных систем подтверждается значительными потерями биогенных составляющих, особенно органического вещества, азота и других элементов (результат водной и ветровой эрозии). Более развитые сообщества, по нашим данным, ежегодно теряют до 30 кг/га азота, тогда как слаборазвитые – до 100 кг/га и больше. Описанные тенденции в развитии отдельных экосистем проявляются поразному, но общая стратегия их развития направлена на достижение разнообразной структуры, основанной на притоке энергии и физических возможностях (плодородие и увлажнение почвы, температурный режим и т.д.). Функционирование экосистем в различных районах зоны Приазовья показывает, что их стабильность в значительной степени определяется сложностью биотических взаимоотношений и прежде всего симбиотических (мутуализм, комменсализм и т.д.). В большинстве случаев рост отдельных популяций различных видов в наземных сообществах сдерживается стравливанием растительности, что предопределяет плотность травостоев и служит важным механизмом регуляции круговорота питательных веществ. Обобщая данные о природных сообществах живых организмов Восточного Приазовья, необходимо подчеркнуть, что все они в большей или меньшей степени испытывают антропогенный прессинг; большинство из них находятся на средней или поздней стадии многолетних злаковников и только отдельные из них можно с большим допуском отнести к стадии климаксных сообществ злаковоразнотравного типа. С учетом слаборазвитых верхних почвенных горизонтов и неустоявшегося травостоя в надземной части экосистемы в отдельных районах изучаемой зоны можно отнести к очень неустойчивым, весьма чувствительным и легко уязвимым. Любые механические нарушения наземных сообществ, а также микробо- и зооценозов ведут к их разрушению, а для их восстановления потребуется от 60 до 90 лет и больше (стадия однолетников – 5-10 лет, стадия короткоживущих видов – 10-25 лет; стадия длительновегетирующих видов – 30-40 лет, климаксная стадия до 90 лет и больше). Иными словами, природе требуется до 90 лет, чтобы на открытом мес374 те сформировалась устойчивая климаксная стадия травяного покрова. Более точные цифры назвать трудно, поскольку воздействие ряда антропогенных факторов (выпас, вытаптывание, пожары и др.) будет сдерживать развитие формирующихся сукцессий; чрезмерный выпас и сильные засухи обусловливают возвратный характер в развитии сукцессий к их первым или ранним стадиям (Раменский, 1938; Одум, 1975; Белюченко, Мельник, 2010). Анализируя экологический потенциал природных систем Приазовья, необходимо подчеркнуть, что различные сообщества весьма заметно варьируют по стабильности и устойчивости к отдельным стрессовым ситуациям. Географический, экосистемный и вещественно-энергетический анализы ряда формирований этой зоны показывают, что широта экологического потенциала последних сильно колеблется и контролируется целым рядом природно-климатических факторов. Преобладающая группа факторов, лимитирующих развитие основных систем, имеет антропогенное происхождение (Белюченко, 2004; 2014 л, м). Сильный пресс испытывают прибрежные эстуарии и лиманы и относительно меньший – плавни и наземные (сухопутные) системы. Лиманы и прибрежные эстуарии испытывают как прямой пресс (например, добыча рыбы и др.), так и опосредованный, через воздействие человека на наземную систему – внесение удобрений и сложных компостов; загрязнение тяжелыми металлами, пестицидами; распашка земель, бытовые и промышленные стоки и отходы, которые с дождями в конечном итоге попадают в лиманы и в прибрежные воды, существенно пополняя их биогенные запасы. Этим можно объяснить относительно слабую устойчивость прибрежных сообществ и заметно меняющийся их видовой и популяционный состав растений и животных. Усиление антропогенной нагрузки на приморские системы может в конечном итоге привести к гибели или к существенной перегруппировке структуры их сообществ и, естественно, не в лучшую сторону для человека (Уиттекер, 1980; Шварц, 1990). Анализируя стратегические аспекты развития и широту экологического потенциала Кубанских Приазовских систем, следует отметить их высокую уязвимость, с одной стороны, и уже в настоящее время чрезвычайно высокий антропогенный прессинг на них, с другой. Усиление давления на эти системы без весьма негативного последствия очень невысокие, что указывает по существу не об увеличении, а, 375 наоборот, о необходимости снижения прессинга на эти системы, если мы, конечно, думаем об их будущем в крае. Развитие агроландшафтных систем. Анализ экологических проблем Приазовской зоны в настоящее время весьма очевиден и определяется большой антропогенной перегрузкой естественных и искусственных систем, с одной стороны, ухудшением общей экологической ситуации, с другой, экологической и экономической нестабильностью, с третьей, и большой важностью рационализации использования агроландшафтных систем, с четвертой (Белюченко, Мамась, 2005; Белюченко и др., 2009 б). Приазовская агроландшатная зона выделяется выраженной континентальностью климата – высокими температурами летом и относительно низкими зимой; специфичность еѐ природного режима определяется географическим положением. Большие колебания (годовые, суточные и сезонные) показателей температуры, продолжительности светового дня, интенсивности солнечной инсоляции в различных еѐ участках, сильное колебание количества выпадающих осадков по сезонам и годам и многообразие рельефа определяют большое разнообразие почвенных условий и состава травянистых группировок, в которых по многолетнему циклу развиваются растения субтропического и бореального происхождения, отличающиеся широким потенциалом. Теплая весна и осень обеспечивают хорошие условия для развития растений бореального происхождения (пшеница, ячмень и др.), а в летний период при обеспеченности влагой в условиях весьма высокой температуры интенсивно накапливают органические вещества представители субтропических культур (кукуруза, сорго и другие). Продуктивность наиболее распространенных экосистем зоны определяется рядом лимитирующих факторов, среди которых важное место занимают влага, питательные вещества (главным образом, обеспеченность азотом) и чрезвычайная засоренность посевных площадей. Продуктивность орошаемых земель в этой зоне существенно ограничивается прежде всего низким содержанием азота, а также высокой засоренностью почвы. Запасы питательных веществ орошаемых земель с каждым годом снижаются, что обусловлено, в первую очередь, интенсивной минерализацией органического вещества при внесении минеральных удобрений в условиях сильного промывного режима и высокой инсоляции. 376 Главные площади равнинных систем заняты сельскохозяйственным производством, широко культивируются зерновые (пшеница, кукуруза, ячмень, рис), зернобобовые (горох, соя, люцерна), технические (сахарная свекла, подсолнечник), овощные, эфиромасличные, лекарственные и другие хозяйственно-ценные растения. Основные сообщества приурочены к сухопутным территориям междуречных систем, где они встречаются на эродированных склонах, вдоль русел рек и речек и овражных систем. Травяные группировки отличаются выраженной ритмичностью развития составляющих видов относительно низкой продуктивностью, сезонной флористической неполночленностью, обусловленных специфичностью годового температурного режима, а также географической замкнутостью изучаемой зоны. Равнинные сообщества, особенно в прибрежной полосе Азовского моря, сильно деградированны в силу мощной рекреационной нагрузки на естественные сообщества всей зоны, что определяется резким изменением социального устройства района. В полевом растениеводстве преобладают однолетние зерновые, технические и овощные культуры (пшеница, ячмень, кукуруза, сахарная свекла, подсолнечник, соя, томаты и т.д.). Из многолетников выращиваются люцерна, реже эспарцет и некоторые злаки (ежа сборная, костер безостый и др.). Кроме овощных все остальные культуры выращиваются в полевых севооборотах с преобладанием (до 50% и больше) озимой пшеницы. Основные культуры при соответствующей технологии с использованием удобрений весьма продуктивны (урожай зерна озимой пшеницы в отдельные годы в некоторых районах зоны доходят до 60 ц/га). Высокие урожаи дают также посевы кукурузы, сахарной свеклы, подсолнечника и т.д. На поливных землях на больших площадях выращиваются соя, овощные культуры, картофель, зерновые (пшеница, кукуруза) и технические (сахарная свекла). Выращивание культур на поливе отличается все возрастающими расходами энергии, включая обработки от сорняков, внесение удобрений и другие затраты (Белюченко, Бережная, 2012). Возделывание однолетних культур в Западном регионе, особенно при орошении, является причиной интенсивного разрушения почвенных агрегатов, усиления эрозии почвы и минерализации органического вещества, выщелачивания азота, снижения использования приходящей солнечной радиации, уменьшения популяций отдельных видов микроорганизмов и микро- и мезофауны и т.д. Усугубляется эко377 логическая ситуация при выращивании пропашных культур, в первую очередь подсолнечника, сахарной свеклы и сои, образующих малообъемную корневую систему и практически не формирующих дернину, а потому на таких площадях ветровая и водная эрозии проявляются гораздо сильнее (Мельник и др., 2003; Белюченко и др., 2009а; Белюченко, Мельник, 2010). Для получения высоких урожаев зерновых и других культур (кроме люцерны) необходимо постоянно повышать нормы минеральных удобрений, а на посевах пропашных – увеличивать число обработок, усиливающих водную и ветровую эрозии, минерализацию органического вещества, выщелачивание питательных веществ из почвы и т.д. С урожаем пшеницы, кукурузы и других культур, по нашим расчетам, в условиях центрального региона этой зоны выносится от 60 до 100 кг/га азота (при содержании гумуса в почве до 3,5%); поступление азота в почву с корнями, опадом растений и т.д. в год не превышает 20-30 кг/га. В целом при возделывании однолетников в регионе складывается отрицательный баланс азота. По результатам наших исследований в этой зоне снижается плодородие почвы как при возделывании однолетних культур сплошного сева (пшеница), так и пропашных (сахарная свекла), что обусловливается интенсивным выщелачиванием и, безусловно, развитием эрозионных процессов. Определение микрофлоры почвы показывает, что популяции их отдельных групп под чистыми посевами заметно малочисленнее, чем под совмещенными. Например, численность аммонифицирующих микроорганизмов под посевами на контроле (без удобрений и без бобовых компонентов) в течение летней вегетации в 1999 г. не превышало 3 млн на 1 г почвы, тогда как в совмещенных посевах с горохом (без удобрений) численность таких организмов была почти на порядок выше (Белюченко, 2008). Учитывая эти обстоятельства, в растениеводстве целесообразно пересмотреть набор культур в севообороте и одновременно вести поиск экологически чистых технологий, которые бы способствовали стабилизации плодородия почв. Содержание азота в почве определенно снижается при использовании совмещенных посевов с бобовыми культурами и внесении незначительных доз минеральных удобрений. Использование биологического азота бобовых (до 37% бобовыми и до 20% сопутствующей культурой), а также фиксируемого азота свобод- 378 ноживущими азотфиксаторами обусловливает снижение нагрузки на почвенные запасы азота (Белюченко, Мельник, 2010). Сложный компост и продуктивность растений. Использование сложного компоста под посев сельскохозяйственных культур в расчете 65-70 т/га общей смеси различных отходов оказывает существенное слияние на физические, химические и биологические свойства верхнего слоя почвы и оказывает заметное влияние на развитие (включая продолжительность вегетации), урожайность и качество продукции изучаемых растний в севообороте в течение 5-6 лет (Славгородская, 2013 а. б; Ткаченко и др., 2010). Например, посев озимой пшеницы в наших опытах в ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района удлиняет период развития травостоя при недостатке влаги на 7-8 дней, а при достаточном увлажнении – до 10-15 дней, что существенно влияет на урожай растений и повышает качество еѐ зерна, а также сказывается на концентрации органических веществ – количестве белка (на 1,3-2,0%), его клейковине (на 3-4%), включая полезные аминокислоты, провитамин А, витамины группы В, растворимые полисахариды, улучшающие работу кишечника, биогены (витамин Н), укрепляющий иммунную систему организма, а также клетчатку, содержащую растворимое волокно (бетаклюкан), которое благоприятствует снижению в крови концентрации холестерина, а также минеральных элементов – кальция, марганца, серы, железа, калия, цинка, иода. Указанные особенности реакции растений озимой пшеницы на внесение сложного компоста обусловили необходимость изучения различных свойств поверхностного слоя почвы (0-20 см) при их смешивании перед посевом изучаемой культуры. Внесение сложного компоста, в составе которого концентрируется большое количество кальция, серы, фосфора и ряда микроэлементов влияет благоприятно на развитие посевов, включая усиление образования придаточных корней, кущение побегов, начиная от начального периода вегетации растений и до его созревания. Весьма рационально расходуются запасные вещества высеянных семян в варианте со сложным компостом (на 25% экономнее по сравнению с вариантом с перегноем и на 45% экономнее по сравнению с водой). Масса оставшегося в семени озимой пшеницы питательных веществ в варианте со сложным компостом была заметно выше варианта с перегноем. Полученные различия в поведении семян пшеницы при их обваливании перед повевом в разных дисперсионных средах ука379 зывают на возможность разработки способов ускорения прорастания и интенсификации развития способов ускорения посевов этой культуры на начальном этапе формирования урожая. С целью установления влияния отдельных сред на прорастание семян озимой пшеницы их замачивали на 4-5 мин в дистиллированной воде, потом обваливали в почве, перегное, фосфогипсе и смеси вместе взятых отходов и помещали в чашки Петри на смоченную обычной водой бумагу. Всходы появились на 3-й день. Через 2 недели после всходов проанализировали проростки, определили общую массу корней и проростков. В варианте с фосфогипсом проростки пшеницы образовали наибольшую массу корней, доля которых составила 53%, превосходя по этому показателю остальные варианты. Сложный компост удлиняет период развития пшеницы до кущения за счет усиленного развития корней, а затем кущения и дополнительного формирования придаточных побегов; за весь период генеративной фазы растений пшеницы количество побегов увеличилось в разреженном посеве (3,0-3,5 млн/га) на 20% по сравнению с загущенными (5 млн/га), а число придаточных корней – на 25-35%. Сложный компост оказал заметное влияние на химический состав зерна озимой пшеницы. В варианте со сложным компостом качество зерна пшеницы было существенно выше, чем на контроле. Например, по содержанию фосфора, кальция, серы, нитратов, аммония невысокое содержание тяжелых металлов повлияло на урожайность зерна и его качество. Заметно повысилось в зерне пшеницы содержание органического вещества и снизилось количество нитратного азота. Сложный компост, включая практически все элементы органического и минерального комплексов, состоит из разнообразного количественного и качественного набора отдельных веществ, отличающихся физическими, химическими и количественными характеристиками в зависимости от вида отходов разных производств. Экологическое равновесие сельскохозяйственных ландшафтов изучаемой зоны нарушают второстепенные антропогенные инновации: распашка долин, подпахивание земельных площадей до русла рек, вплоть до станиц, вырубка колок, распашка склонов, слишком широкое применение пестицидов (особенно гербицидов), насыщение севооборотов пропашными культурами, сжигание стерни и соломы после уборки, нарушение системы сортосмены и сортообновления, разрушение лесополос (особенно на склонах) и т.д. Эти и другие мероприятия 380 предопределили усиление эрозии, расширение заболачивания и засоления в условиях рек, снижение в почве органического вещества, засоренность полей, ухудшение их физических и химических свойств, увеличение патогенов в микробоценозах. Сжигание стерни, соломы, мусора, угля, нефти, газа и других материалов, что характерно для этой территории, усиливает реакцию азота, серы и кислорода в атмосфере с образованием оксидов азота и диоксида серы, реагирующих с водой и образующих азотную и серную кислоты. Выпадая в основном с осадками, азотная и серная кислоты в почве растворяют и вымывают питательные вещества, а так же тяжелые металлы, усваиваемые растениями, а затем и человеком; идет загрязнение грунтовой (питьевой) воды; кислотные дожди ведут также к гибели лесных полос, посевов ряда овощных культур (например, огурцов) и т.д. (Белюченко, 2011в). В указанной зоне широко развиваются эрозионные процессы, особенно в еѐ северной части; формирование овражной сети весьма четко просматривается и в еѐ южных районах. Отдельные ученые региона разработали достаточно эффективные методы восстановления растительности эродированных участков, но дальше внедренческих разработок и небольшого числа их приверженцев и последователей дело по борьбе с эрозией в этом плане не продвинулось. Очевидные экологические просчеты нарушений, наблюдаемые весьма часто на изучаемой территории, обостряемые прямой или опосредованной деятельностью человека, до сих пор не разработаны, что необходимо не столько продекларировать, сколько их нужно выполнять на уровне отдельных площадей с учетом свойственной только им специфики (рельефа, глубины пахотного горизонта, склона и т.д.). Следует также констатировать, что нет продуманной и рационально размещенной сети постоянных участков многолетнего мониторинга ни на местном, ни тем более на региональном уровнях. Выдаваемые отдельными центрами рекомендации не подкрепляются системным анализом реальной динамики состояния почв, растительности, животного мира, атмосферного воздуха, грунтовых вод и т.д. Научные рекомендации ограничиваются, в основном, рамками некоторого расширения или углубления ранее разработанных мероприятий в области земледелия, агрохимии, растениеводства. Отсутствуют четко разработанные длительные программы поиска новых подходов к развитию системы земледелия. 381 Создание многокомпонентных посевов основывается на поиске технологий, базирующихся на биологических и экологических подходах, приемлемых для природы и человека и основывающихся на аллелопатической совместимости включаемых в сложный посев видов растений. Основой таких технологий служат эколого-биологические средства регуляции агроценозов (подбор для совмещенных посевов видов с учетом их биологических особенностей и экологического соответствия растений и физико-химических свойств почвы, использование биологических средств для повышения продуктивности посевов, защиты растений от вредителей, болезней, сорняков и т.д.), что весьма важно для севооборотов интенсивного типа с высоким насыщением пшеницы и пропашных культур, стратегически обусловливающих снижение в почве количества органического вещества из-за интенсивной еѐ минерализации, смыва и выдувания в процессе водной и ветровой эрозии (Белюченко, Мельник, 2010). К обеднению почвы ведет большой вынос с урожаем культур основных элементов питания растений (N, Р, К, S, Са) и микроэлементов. Урожай зерна пшеницы на уровне 60 ц/га или корнеплодов сахарной свеклы (40-50 т/га) требует ежегодного увеличения норм вносимых минеральных удобрений, особенно азотных. Восполнение потерь органического вещества и азота в севооборотах зерновых и пропашных культур в определенной степени возможно за счет внесения перегноя или сложных компостов при норме 65-70 т/га каждые 5-6 лет и введением в севооборот совмещенных посевов культур, различающихся экологическими и биологическими особенностями. Иными словами, сложившаяся ситуация в сельскохозяйственном производстве требует пересмотра способов хозяйствования и прежде всего ведения органического земледелия, подчинив его законам природы, способствуя тем самым сохранению окружающей среды и улучшению здоровья людей. Использование сложных компостов под посев культур, особенно злаковых, сокращает обработки, переводит их севооборот в двухзвенную систему: посев – уборка, что является важными шагами сокращения эрозии почвы (Белюченко, 2011г). Важным направлением совершенствования сельскохозяйственного производства следует рассматривать уплотнение посевов за счет их компановки из растений разных жизненных форм; уплотненные посевы зерновых злаковых и бобовых, благодаря их взаимной механической поддержке (например, кукуруза + горох) вследствие своей био382 логической разобщенности, несмотря на сложности технологического характера, получают права гражданства в некоторых странах мира. Бобовые, фиксируя азот атмосферы через симбиоз с азотфиксаторами, на 20% и больше обеспечивают потребность в азоте злаковых; которые, выделяя углеводы, покрывают значительную часть потребности в энергии свободнодвижущих в ризосфере такого агроценоза азотфиксаторов (Белюченко, 1991 г). Совместное выращивание злаковых и бобовых, к сожалению, существенно влияет на распространение заболеваний отдельных культур, о чем свидетельствуют проведенные исследования. Нами изучались различные варианты посевов важных в хозяйственном отношении культур, не снижающих урожай продукции, но способствующих повышению еѐ качества и оздоровлению окружающей среды. С этой целью подбираются компоненты для определенных посевов, изучается развитие почвенной биоты в создаваемых сообществах, определяется урожай и его качество. На практике получены первые обнадеживающие результаты с озимой пшеницей, сахарной свеклой, соей и другими культурами. Например, при выращивании озимой пшеницы с бобовыми в течение 1995-1997 гг. установлено достоверное увеличение в почве численности грибных зачатков, а также бактерий и актиномицетов, выполняющих определенную роль в подавлении развития фитопатогенов растений. Введение в севообороты совмещенных посевов изменяет численность и видовой состав в почве микроартропод (коллемболы, клещи) и их морфологических групп (почвенные, подстилочно-почвенные, верхне- и нижнеподстилочные), дождевых червей, энхитреид и других групп крупных беспозвоночных (насекомые, многоножки), а также микрофауны (нематоды, простейшие). Важно отметить более высокую биологическую продуктивность совмещенных посевов, снижение накопления в их урожае нитратов, тяжелых металлов и т.д. Доля использования поступающей солнечной энергии совмещенными посевами сельскохозяйственных культур значительно выше, чем одновидовыми, о чем свидетельствуют наши расчеты на примере посевов озимой пшеницы. Результаты исследований указывают на целесообразность продолжения научных исследований по разработке новых технологий. Требуется оптимизировать севообороты суши Западного Приазовья, зарождающееся экологическое направление в земледелии будет играть в системе разрабатываемых ме383 роприятий не последнюю роль, поскольку оно предусматривает уменьшение применения химических средств (различных пестицидов) и более рациональное использование биологического потенциала отдельных культур, а также минеральных и органических удобрений (Мельник и др., 2013). В развитии сельскохозяйственного производства этой зоны, наряду с совершенствованием уже действующих направлений (агротехническое, химическое, селекционно-семеноводческое), перспективным представляется природоохранное и экологическое направление, базирующееся на уплотнении посевов биологически и экологически различными культурами, требующими разные экологические ниши, приближающими по структуре своих агроценозов к естественным сообществам. Такие посевы лучше отвечают комплексу сегодняшних требований сельскохозяйственного производства, поскольку способны, с одной стороны, увеличивать продуктивность, а, с другой, более эффективно использовать природные ресурсы (осадки, плодородие почвы, солнечную энергию и т.д.) при одновременном сохранении и улучшении плодородия почвы, а также получении более качественной продукции (Белюченко и др., 2008 г; Белюченко, 2014 к). Изучение важнейших экологических проблем сельскохозяйственного производства, организации стационарного мониторинга, экологического проектирования, моделирования и программирования развития систем пока не позволяют предвидеть возможные завтрашние их изменения. Тем не менее в процессе решения экологических проблем природных и агроландшафтных систем Западного Приазовья можно выделить следующие направления исследований в поисках приемлемых практических технологий: 1. Совершенствовать систематический государственный контроль за экологическим состоянием природных и антропогенных систем, особенно почвенной биоты, в различных условиях региона; разработать систему природоохранных мероприятий всей территории вплоть до отдельных участков и строго еѐ выполнять. Такие мероприятия должны предусмотреть возможность вывода из севооборота распаханных земель вокруг поселков (это существенно улучшит качество воздушного бассейна населенных пунктов, снизит эрозийные процессы и т.д.), вдоль русел рек (уменьшит смыв почвы и заиливание их русел и т.д.), необходимость посадок лесных полос вдоль дорог, вокруг поселков и т.д.. 384 2. Усилить агротехническое направление по улучшению технологии выращивания сельскохозяйственных культур (оптимизация сроков выполнения основных видов работ, внедрение сложного компоста, набора культур в севообороте и т.д.), естественно, совершенствование агротехнологий сегодня невозможно без улучшения сельскохозяйственной техники (Белюченко, Мельник, 2010; Белюченко, 2011в). 3. Усилить достижения химии: применять в разумных пределах минеральные удобрения в сочетании со сложными компостами, а также средства борьбы с вредителями и болезнями, которые должны разумно сочетаться с достижениями селекции, совершенствованием технологий, севооборотов и т.д. Химическое направление в практике сельского хозяйства остается пока важнейшим и наиболее результативным, обеспечивающим получение высоких урожаев, а дальнейшее развитие сельскохозяйственного производства следует существенно переориентировать на "органические" технологии. Возможности химии не безграничны и практически достигнут верхний предел урожайности основных культур, а с другой, химизация стала высокозатратной как энергетически, так и экологически. Например, внесение азота повышает урожай, но и одновременно резко увеличивает содержание в урожае нитратов и тяжелых металлов, и уже можно с полной уверенностью утверждать, что только сочетание биологического и минерального азота в сельскохозяйственном производстве представляет собой важное направление разработки энергосберегающих и экологически чистых технологий, обеспечивающих экономию удобрений, горючего и т.д. Просматривается резерв в создании двух- и более компонентных посевов (например, основная культура + бобовый компонент), что дает возможность существенно изменить (обогатить) микробоценоз биоты, увеличить поступление в почву азота, уплотнить дернину и снизить эрозийные процессы, особенно при выращивании пропашных культур (Белюченко, Мельник, 2010). 4. Усиливать интродукционно-селекционное и семеноводческое направление, предусмотрев улучшение структуры посевных площадей путем замены старых сортов (или культур) новыми высокопродуктивными и ценными в хозяйственном и природоохранном отношениях. Поскольку регион стал важным перевалочным пунктом завоза сельскохозяйственной продукции из-за рубежа, необходимо предусмотреть укрепление карантинной службы и строгое соблюдение правил интродукции различных форм растений. Соответствующим службам 385 ужесточить контроль за диким провозом через границу семян, растений, черенков, гербария и т.д.; пересмотреть системы сортосмены и сортообновления культур, что будет способствовать предупреждению распространения вредителей, болезней, сорняков. 5. По границам полей, вдоль магистралей и речных систем, вокруг поселков и городов расширить площади лесных полос, оптимизировать их видовой состав, соотношение различных пород деревьев и кустарников. Создаваемые лесополосы будут формировать собственный экоклимат, отличный от условий открытой местности, и они способны существенно влиять на микроклимат всей площади окультуренного ландшафта (Белюченко, 2004) . 6. Развивать экологическое направление сельскохозяйственного производства, базируя его на максимальном использовании сложных компостов, биологических и экологических особенностей возделываемых культур, достижений земледельческой науки, объективной оценки возможностей природно-климатической ситуации, уровня плодородия почвы и т.д. Организация на этой основе простых или совмещенных посевов, способных создать плотные агроценозы, противостоять сорной растительности, будет повышать выход продукции, сдерживать эрозию почвы, усиливать биологическую активность еѐ флоры и фауны, активизировать азотфиксацию и другие процессы (Белюченко, Мельник, 2010). 386 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Отходы производства и потребления (органические, минеральные и органоминеральные) поддерживают эволюционный режим, приводят к изменениям природных ландшафтов, а с увеличением населения планеты – весьма существенные. Сегодняшние действия человека настолько «подгоняют» природные системы под свои интересы, что определенно возникают глубокие противоречия общества и природы. Давление человека на природу увеличивается в рязы в сравнении с природными явлениями, обусловливающими наводнения, пожары и другие процессы. Взаимодействия человека и природы год от года становятся более негативными, что вызвано увеличивающимся населениям, которое, по оценке многих ученых, превышает экологически обусловленные нормы. В связи с усилением хозяйственной деятельности человека существенно возрастают масштабы использования природных ресурсов и сокращение их запасов. Бесспорно, что предпринимаемые человеком формы нормирования антропогенного влияния на природу в лучшем случае очень слабо сдерживают глобальность катастрофы во времени. Важнейшим фактором проявления устойчивости биосферы является почва (почвенный покров), выполняющая основные экосистемные функции, определяющие главные механизмы управления экосистемами . Именно поэтому почвенный покров определяется как серьезная защита от антропогенного давления в общей системе ландшафтов. Сложившаяся ситуация сегодня подчеркивает пагубность и ненужность пятилетних и трехлетних весьма ненаучных «проектирований» регулирования контроля за состоянием природных образований, прежде всего почв, воды, растений. Сотни специалистов, воспитываемых в таком духе защиты природы, обманывают самых себя (на деньги с организацией берут и немалые) и прежде всего природу, создавая видимость еѐ улучшения, а на самом деле еѐ ухудшая: гибнуть леса, лесные полосы, загрязняются реки, природные угодья. Развиваются аналитические методы контроля, 20-30 лет назад появились весьма эффективные достаточно точные методы оценки содержания различных поллютантов, но получаемые показатели сравниваются с условным уровнем ПДК и практически не дают полезной информации. 387 В настоящей работе рассмотрены основные вопросы методологии разработки способов снижения антропогенного влияния на образованиеразличных отходов природного и техногенного происхождения, формирования сложных компостов, способных значительно влиять на физические, химические и биологические свойства составляющих нарушенных различными технологиями ландшафтных систем, включая почвенный и растительный покров, водные и воздушные среды, горные породы и др. Рассматриваемые нами сложные компосты оказывают влияние на различные аспекты информационного обеспечения ландшафтов и агроландшафтов. Предлагаемую работу по формированию и свойствам сложного компоста мы рассматриваем как исходный материал снижения антропогенного влияния на состояние экосистем. Отходы являются гетерогенными образованиями с двумя и большим числом фаз с развитой поверхностью и классифицируются на истинные растворы, тонкодисперсные коллоидные системы, грубодисперсные (в основном минеральные отходы) и высокодисперсные (органические отходы). По агрегатному состоянию дисперсной среды и дисперсной фазы среди формирующихся отходов можно выделить следующие системы (Belyuchenko, 2014а): 1) газодисперсные (аэродисперсные) с газовой дисперсной средой (пыль, туман, дым, порошок и др.); 2) жидкие дисперсные среды и твердые дисперсные фазы (глубокодисперсные суспензии, эмульсии и пасты); 3) тонкодисперсные газы и гели; 4) твердые дисперсные среды (кристаллическое тело) с включением мелких твердых частиц (мел, галит, пузырьки газа). Для минеральных отходов свойственна большая гетерогенность гранулометрического состава, физическая и химическая стабильность и длительное сохранение физико-химических свойств вследствие слабой их растворимости, что является итогом длительного геологического периода формирования минералов из группы осадочных пород. Сложный компост формируется за счет комплексирования соединений минеральных и органических коллоидов, создание новых круговоротов биогенов, усиления ферментативной активности органического вещества и дыхания живых организмов, возникновения газообразных соединений, особенно азотных, расширение экологических ниш (Белюченко, 2014к). Численность микробных сообществ оценивает уровень трансформации органического вещества и активность системы живых организмов. 388 Сложный компост по своему составу представляет собой трехфазную систему, создающую среду обитания для различных групп организмов, в том числе для бактерий, грибов, актиномицетов, микро- и мезофауны и других таксонов. Субстрат сложного компоста по сути аналогичен высокопродуктивной почве, но от неѐ отличается некоторыми улучшенными условиями для жизни отдельных видов, популяций, родов, формирующих микросообщества из различных таксонов. Поверхность субстрата сложного компоста выделяется значительным физическим, химическим и биологическим разнообразием, способствующим сосуществованию различных по функциям популяций живых организмов, которые находят в таком компосте десятки разнообразных новых экологических ниш, различающихся своим химизмом. Специализация вида по питанию, использованию пространства и другим условиям определяется как сужение экологической ниши, а обратные процессы – еѐ расширение. На сужение или расширение экологической ниши сильное влияние оказывают хищники и конкуренты (Белюченко, 2014к). С возрастом растения интенсивнее преобразуют среду обитания, и переход их в генеративную фазу расширяет круг их консортов, меняет размеры и напряженность фитогенного поля (Уранов, 1965). Под сложным компостом мы понимаем новое направление в практической экологии и земледелии, определяющее создание комплексных смесей различных отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства, а также природных материалов для обогащения почв, воды и воздуха органическими и минеральными дисперсными и коллоидными системами с целью совершенствования их физико-химических и биолого-экологических функций (Белюченко, 2013). По равновесности и устойчивости дисперсные системы делятся на лиофильные и лиофобные: первые термодинамическими равновесные и высокодисперсные, формируются на основе отходов при производстве продукции из природного сырья; вторые – термодинамически неравновесные и обладают большой свободной поверхностной энергией (Белюченко, 2014). Сложные компосты в свой состав включают до 10 видов и больше самых различных отходов органического и минерального происхождения, управление которыми оптимизирует их объединение с целью создания весьма эффективных соединений, изменяющих физические, химические и биологические комплексы через усиление их 389 многолетней активности до 5-6 лет. В биомассе сложного компоста доля микроорганизмов в основе органического вещества доходит до значительных величин, что существенно удлиняет в системе продолжительность круговорота азота и углерода. Сочетание и сохранение ресурсов сложного компоста во многом обусловлено непрогнозируемыми факторами среды основных отходов и соотношениями в них C:N и C:Р, количеством органического вещества, реальным изменением температуры и количества осадков, а также сообществом микроорганизмов. В формировании почвоподобных структур в сложном компосте большую роль играют мелкие одноклеточные водоросли на кислых субстратах (фосфогипс и др.), выделяющие слизистые вещества и объединяющие мелкие коллоидные, частицы органоминеральной природы, связывающие и уплотняющие их, превращая в достаточно устойчивые структуры. При внесении сложного компоста в почву повышается продуктивность растений, улучшается их рост, развитие корневых систем, увеличиваются популяции беспозвоночных и микроорганизмов, запасы фитомассы, усложняется биологический круголворот биогенов. Поведение биогенов в природе, их круговороты, цикличность и другие перемещения по биотическим системам являются одной из важнейших проблем в экологии. Задача современной экологии состоит в разработке новых технологий взаимоотношения человека и природы, способных обеспечить очень продолжительное их существование на нашей Земле через взаимное подчинение законам экологии в процессах рационального использования природы, еѐ ресурсов через устойчивость составляющих еѐ экологических систем, поддержание заложенных в весьма широких пределах процессов их саморегуляции и грамотное поддержание протекающих в биосфере процессов с учетом естественных (природа) и общественных (человечество) наук. Наши действия в природе сегодня наносят огромный ущерб, что бумерангом сказывается и на нас. Ограниченность научных познаний не позволяет осознать, что беспрепятственно выбрасываемые промышленные отходы могут погубить окружающую среду и разрушить жизнь их и их потомков. В будущем нам придется столкнуться с новыми проблемами, которые сейчас лишь смутно угадываются, или, возможно, с проблемами, пока ещѐ невообразимыми даже для самого 390 дальновидного эксперта по окружающей среде. Остается организовывать и просвещать людей не уклоняться от участия в принятии решений, связанных с охраной окружающей среды, потому как мнение каждого может иметь важную роль в этой проблеме. Деградация биологических систем продолжится до исчезновения основной проблемы цивилизации, оказывающей сильное негативное давление на окружающую среду. Биосферная катастрофа произойдет раньше кризиса по любому виду исчерпываемых ресурсов. Научно-технический процесс сам не способен предотвратить биосферную катастрофу. Технические системы не способны заменить биологический компонент нашей биосферы в осуществлении регулирования окружающей среды, а потому прекращение уничтожения биосферы и предоставление ей возможностей восстановления своего регулирующего потенциала – наиболее приемлемый вариант. Биосфера сейчас заменяется техносферой, остались всего десятки лет до полного перехода биосферы в техносферу. Когда «наука о доме» (экология) и наука о «ведении домашнего хозяйства» (экономика) сольются и когда предмет этики расширит свои границы и включит в себя наряду с ценностями, произведенными человеком, ценности, создаваемые окружающей средой, тогда мы на самом деле сможем стать оптимистами относительно будущего человечества» (Ю. Одум). Реальность состояния современной биосферы – это еѐ экологический кризис. Проблема загрязнения среды имеет важное значение, поскольку промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы имеют вещества, которые никогда не входили в естественные циклы биогенного круговорота и не имеют результатов. Безотходные технологии рассматриваются как частые задачи. Проблема загрязнения среды может быть решена на основе создания замкнутых глобальных технологических циклов, действующих параллельно с естественными процессами биологического круговорота веществ. Города, промышленные комплексы, агроценозы – особые системы со специфическими свойствами и структурой, которой только начинают изучаться. Важный аспект экологических циклов и механизмов, поддерживающих гомеостаз экосистем разного уровня, – экологическое образование и воспитание , основная социальная проблема, без решения которой невозможно представить возможность развития взаимоотношений общества и природы. 391 Проблема защиты окружающей среды признается одной из глобальных, стоящих перед человечеством. Сохранение естественной биоты Земли является основной экологической задачей человека. Сейчас больше половины естественных экосистем суши разрушено, в основном нарушены и загрязнены водные системы. Человек разумен, и потому он должен изменить свое отношение к природе, иначе как вид обречен в ближайшие две-три сотни лет. В настоящей монографии проанализировано 15 основных вопросов, имеющих прямое отношение к развертыванию проблемы подготовки, формирования, развития и влияния сложного компоста на основные аспекты его взаимодействия с почвой, еѐ живыми организмами и химическим составом, его определяющим влиянием на растительный покров, качественный состав и экологические ниши по сезонам и годам вегетации конкретных таксонов. Буду надеяться, что некоторым исследователям проблемы отходов в опубликованных разделах монографии подойдут для дальнейшего развертывания научных исследований по данной тематике. 392 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. ЛИТЕРАТУРА Агафонов Д.Н. Влияние удобрений на урожай и качество ячменя на черноземе обыкновенном Юго-востока ЦУЗ: Автореф. дис. … с/х наук. – Каменная степь, 1999. – 20 с. Александрова Л.H. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. – Л.: Наука, 1980. – 287 с. Алексеев Ю.В. Тяжѐлые металлы в почвах и растениях / Ю.В. Алексеев – Л.: Агропромиздат, 1987. – 141 с. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в черноземах Ростовской области // Тяжелые металлы и радионуклиды в агросистемах. – М.: Изд-во МГУ, 1994. – С. 22-27. Алифиров М.Д., Белюченко И.С., Волошина Г.В. и др. Роль микроорганизмов в функционировании почвенных систем // Экологические проблемы Кубани. – 2007 а. – № 33. – С. 158-163. Алифиров М.Д., Белюченко И.С., Волошина Г.В. и др. Влияние посевов и органических удобрений на трансформацию азота в черноземе выщелоченном // Тр. / КубГАУ, – 2007 б. – № 9. – С. 79-85. Алифиров М.Д., Белюченко И.С., Бозина Т.В. и др. К вопросу о разработке технологии по переработке свиного навоза в перегной и его обогащении микроэлементами // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2007 в. – Т. 3. – № 3. – С. 99-105. Андреев В.А., Новиков М.Н., Лунин С.М. Использование навоза свиней на удобрение. – М.: Росагропромиздат, 1990. – 94 с. ил. Артемьева З.С. Органические и органоглинистые комплексы органодеградированных почв: Автореф. дисс. … докт. биол. наук. – М., 2008. – 45 с. Ахмедов М.А., Атакузиев Т.А. Фосфогипс. Исследование и применение – Ташкент: Изд-во «Фан» УзССР, 1980. – 172 с. Бабьева И.П. Изменение численности микроорганизмов в почвах при загрязнении тяжелыми металлами / И.П. Бабьева, С.В. Левин, И.С. Решетова // Тяжелые металлы в окружающей среде. – М., 1980. – С. 115. Белюченко И.С. Преимущества и недостатки многокомпонентных травосмесей // В сб.: Матер. докл. науч. конф. с.-х. факультета. – М.: Изд-во УДН, 1990. – С. 45-46. Белюченко И.С., Подаруева В.А. Микро- и мезофауна пастбищных агроценозов // В сб.: Интенсив. возделыв. кормов. культур в Яванской долине Таджикистана. – Душанбе, 1990. – С. 17-42. Белюченко И.С. Поиски новых технологий выращивания зерновых культур // Междунар. агропромышл. журнал. – 1991 а. – № 6. – С. 42-45. Белюченко И.С. Влияние многолетней травосмеси на почвенную биоту в условиях континентальных субтропиков // Материалы научн. конфер. 393 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. профессорско-препод. состава с.-х. факультета / Ун-т Дружбы Народов. – М., 1991 б. – С. 87-89. Белюченко И.С. Закономерности индивидуального развития сельскохозяйственных культур // Вестник с.-х. науки.– 1991 в.– № 2. – С. 65-69. Белюченко И.С. Сложные травосмеси круглогодичного использования на юге Таджикистана // Вестник с.-х. науки. – 1991 г. – № 7. – С. 94-96. Белюченко И.С. Способ создания полидоминантных пастбищ в континентальных субтропиках: Патент № 2019947, 1994. Зарегистрирован в Гос. реестре изобретений 30 сентября 1994 г. Белюченко И.С. Особенности развития многолетних кормовых злаков различного происхождения в южных районах СНГ // Растит. ресурсы. – 1992. – Вып. 4. – Т. 28. – С. 57-74. Белюченко И.С., Мокрецов Г.Г. Изменение свойств коричневой карбонатной почвы под влиянием травостоев // Докл. ВАСХНИЛ. – 1991 а. – № 3. – 21-24. Белюченко И.С., Мокрецов Г.Г. Особенности развития и формирования урожая кормовых растений в чистых посевах и травосмесях на юге Таджикистана // Растительные ресурсы. – 1991 б. – Вып. 3. – С. 62-81. Белюченко И.С., Подаруева В.И. Микроартроподы в агроценозах многолетних кормовых злаков на юге Таджикистана // Бюл. МОИП, отд. биол. – 1992. – Вып. 6. – Т. 97. – 72-81. Белюченко И.С. Введение в общую экологию: Учебное пособие. – Краснодар, 1997. – 544 с. Белюченко И.С., Щербина В.Г., Щербина Ю.Г. Рекреационная трансформация лавровишневых сообществ на Кавказе // Эколог. пробл. Кубани. – 1999. – № 4. – С. 22-152. Белюченко И.С. К вопросу о характере развития экосистем Кубани// Эколог. пробл. Кубани. – 2000 а. – № 8. – С. 177-183. Белюченко И.С. Основные направления сопряженной эволюции организмов в экосистемах// Экологические проблемы Кубани. – 2000 б. – № 6. – С. 80-102. Белюченко И.С., Назарько М.Д. Фоновая оценка состояния микробоценозов в почвах природных и агроландшафтных экосистем северных районов Кубани // Экологические проблемы Кубани. – 2000. – № 8. – С. 29-66. Белюченко И.С. Эволюционная экология. – Краснодар: изд-во КГАУ, 2001 а. – 504 с. Белюченко И.С. Бассейн реки Кубань – специфическое природное образование // Эколог. пробл. Кубани. – 2001 б. – № 11. – С. 3-16. Белюченко И.С., Назарько М.Д., Гукалов В.Н., Донец М.Ю., Дубровская Е.В., Абрамычкина Е.И. Микробоценозы почв агроландшафта // Экологические проблемы Кубани. – 2001. – № 9. – С. 14-196. 394 31. Белюченко И.С. Геленджикский район // Экол. проблемы Кубани. – 2002. – № 17. – 274 с. 32. Белюченко И.С., Перебора Е.А., Гукалов В.Н. Физико-географическая характеристика Ленинградского района // Экологические проблемы Кубани. – 2002. – № 16. –186 с. 33. Белюченко И.С. Экологические ниши и их роль в организации и функционировании агроландшафтов (в порядке обсуждения) // Экологические проблемы Кубани. – 2003 а. – № 21. – С. 3-6. 34. Белюченко И.С. Зонирование территории Краснодарского края и особенности функционирования природных и техногенных систем // Экол. проблемы Кубани. – 2003 б. – № 20. – С. 4-19. 35. Белюченко И.С., Боташева Н.Н. Состав основных консортов фито- и энтомофагов озимой пшеницы в засушливой зоне Ставрополья // Экологические проблемы Кубани. – 2003. – № 19. – С. 37-51. 36. Белюченко И.С., Высоцкая И.Ф., Гукалов В.Н. Валовые и подвижные формы свинца в аграрных ландшафтах Кубани // Экологические проблемы Кубани. – 2003. – № 20. – С. 100-200. 37. Белюченко И.С., Гукалов В.Н. Проблемы развития агроландшафтных систем в богарной зоне Краснодарского края // Экол. проблемы Кубани. – 2003. – № 21. – С. 7-183. 38. Белюченко И.С., Корунчикова В.В. К вопросу о поддержании биоразнообразия живых организмов в природных ландшафтах Краснодарского края методами интродукции и акклиматизации // Экол. проблемы Кубани. – 2003.– № 20. – С. 20-33. 39. Белюченко И.С. К вопросу о специфичности речной гидрологии Краснодарского края. – Экол. проблемы Кубани. – 2004. – № 26. – С. 5-9. 40. Белюченко И.С., Гукалов В.Н., Вартанянц Е.А. Валовые и подвижные формы кадмия в агроландшафте (на примере колхоза «Заветы Ильича» Ленинградского района // Экологические проблемы Кубани. – 2004. – № 24. – С. 87-182. 41. Белюченко И.С. Экология Кубани. – Краснодар: КубГАУ, 2005 а. – Ч. I – 513 с. 42. Белюченко И.С. Экология Кубани. – Краснодар: КубГАУ, 2005 б. – Ч. II. – 470 с. 43. Белюченко И.С. К вопросу о решении пестицидной проблемы в регионе. – Экол. Вестник Сев. Кавказа. 2005 в. –№ 1. – С. 78. 44. Белюченко И.С. Современные проблемы функционирования степных рек // Эколог. пробл. Кубани. – 2005 г. – № 27. – С. 164-183. 45. Белюченко И.С., Гукалов В.Н. Содержание свинца в ландшафтах степных рек // // Экологические проблемы Кубани. – 2005. – № 30. – С. 19-22. 395 46. Белюченко И.С., Демченко М.М. Содержание марганца в ландшафтах степных рек Кубани // Экологические проблемы Кубани. – 2005. – № 30. – С. 41-45. 47. Белюченко И.С., Мамась Н.Н. Оценка состояния речных систем степной зоны края и предложения по улучшению их экологической ситуации // Экол. проблемы Кубани. – 2005. – № 30. – С. 198-206. 48. Белюченко И.С., Пономарева Ю.В. Грибные консорты озимой пшеницы в степной зоне Кубани // Экологические проблемы Кубани. – 2005. – № 27. – С. 20-163. 49. Белюченко И.С., Волошина Г.В., Костюк А.Ю., Пономарева Ю.В. Роль биотестирования в комплексной оценке состояния окружающей среды // Экологические проблемы Кубани. – 2005 а. – № 30. – С. 156-158. 50. Белюченко И.С. Дубенкова Н.С., Пономарева Ю.В. Численность и видовое разнообразие микромицетов степных рек // Экологические проблемы Кубани. – 2005 б. – № 30. – С. 145-152. 51. Белюченко И.С., Гайдай А.А., Кобецкая О.А. и др.. Гранулометрия пойменных почв бассейна реки Кубань // Экол. пробл. Кубани, 2005 в. – № 29. – С. 187-192. 52. Белюченко И.С. Региональный мониторинг – базовая основа для разработки экологических проектов по охране природы // Экол. Вестник Сев. Кавказа. 2006. – Т. 2. – № 1. – С. 25-40. 53. Белюченко И.С., Бозина Т.В. Углерод и его роль в развитии биосферы Земли// Эколог. Вестник Север. Кавказа. – 2006. – Т. 2. – № 2. – С. 46-50. 54. Белюченко И.С., Пономарева Ю.В. Использование методов биотестирования и биоиндикации в оценке степени токсичности отходов и компонентов окружающей среды // Экологические проблемы Кубани. – 2006. – № 31. – С. 68-74. 55. Белюченко И.С., Филобок М.Л. Динамика содержания подвижного и валового цинка в системе агроландшафта // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2006. – Т. 2. – № 1. – С. 66-77. 56. Белюченко И.С., Баранова С.Б., Громыко В.В. Оценка воздействия отходов животноводства на прилегающие ландшафты (Прикубанский округ г. Краснодара) методами химического анализа // Экологические проблемы Кубани. – 2006 а. – № 32. – С. 237-267. 57. Белюченко И.С., Волошина Г.В., Виличку М.В. и др. Влияние животноводческих комплексов на микробоценозы почв прилегающих территорий (на примере ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района) // Экологические проблемы Кубани. – 2006 б. – № 32. – С. 180-185. 58. Белюченко И.С., Волошина Г.В., Фалин А.Г., Стешенко А.И. К вопросу о процессе нитрификации в агроландшафтах степной зоны Краснодарского края // Экологические проблемы Кубани. – 2006 в. – № 32. – С. 218-222. 396 59. Белюченко И.С., Громыко В.В., Гукалов В.Н., Демченко М.М. Содержание марганца в кормах и биологических жидкостях КРС в ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района // Экологические проблемы Кубани. – 2006 г. – № 32. – С. 52-55. 60. Белюченко И.С. Гукалов В. Н., Яковлева О.А. Разнообразие мезо- и микрофауны в почвах агроландшафта (на примере ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского р-на) // Экологические проблемы Кубани. – 2006 д. – № 32. – С. 161-164. 61. Белюченко И.С., Гукалов В.Н., Демченко М.М. и др. Содержание тяжелых металлов в почвах ландшафтов, прилегающих к животноводческим комплексам // Экол. проблемы Кубани. – 2006 е. – № 32. – С. 106. 62. Белюченко И.С., Гукалов В.Н., Демченко М.М. Содержание тяжелых металлов в отходах животноводства // Экологические проблемы Кубани. – 2006 ж. – № 32. – С. 47-51. 63. Белюченко И.С. Пономарева Ю.В., Воронкова Т.В., Швидкая Е.А. // Выбор методов биотестирования для определения токсичности отходов // Экологические проблемы Кубани. – 2006 з. – № 32. – С. 132-134. 64. Белюченко И.С., Гукалов В.Н., Мельник О.А. Содержание органического вещества по профилю почвы и его связь с содержанием тяжелых металлов (на примере ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района) // Экол. пробл. Кубани, 2006 и. – № 32. – С. 153-157. 65. Белюченко И.С. К вопросу о процессе нитрификации в агроландшафтах степной зоны Краснодарского края // Экол. проблемы Кубани. 2007. – № 32. – С. 218-222. 66. Белюченко И.С., Волошина Г.В. Влияние микроорганизмов на накопление органического вещества в пойменных почвах реки Понура // Экологические проблемы Кубани. – 2007. - № 33. – С. 28-32. 67. Белюченко И.С., Гукалов В.Н., Мельник О.А. Динамика органического вещества и проблемы его трансформации в почвах агроландшафта степенной зоны края // Экол. Вестник Сев. Кавказа. 2007 а. – Т. 3. – № 1. – С. 568. Белюченко И.С., Лившиц Ю. П., Таранец Г.С. и др. Роль процесса азотфиксации в улучшении плодородия почв // Экологические проблемы Кубани. – 2007 б. – № 33. – 33-35. 69. Белюченко И.С., Носаленко А.П., Пономарева Ю.В. Технология ускорения переработки жидкого свиного навоза и возможности его использования в качестве удобрения // Экологические проблемы Кубани. – 2007 в. – № 33. – С. 18-23. 70. Белюченко И.С., Гукалов В.Н., Мельник О.А. Содержание органического вещества и питательных элементов в почвах ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района // Экол. пробл. Кубани, 2007 г. – № 33. – С. 1478152. 397 71. Белюченко И.С., Волошина Г.В., Бозина Т.В. и др. Экологическое состояние пойменных почв и растительности бассейна реки Понура // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2007 д. – Т. 3. – № 3. – С. 58-72. 72. Белюченко И.С. Влияние фосфогипса на трансформацию азота в черноземе обыкновенном степной зоны Кубани / И.С. Белюченко – Экол. Вестник Сев. Кавказа. 2008. – Т. 4. – № 2. – С. 144-147. 73. Белюченко И.С., Гукалов, В.Н. Влияние сжигания растительных остатков на агрономические свойства почв // Тр. КубГАУ, 2008 – № 10. – С. 57-61. 74. Белюченко И.С., Муравьев Е.И. Коллоидный состав и коагуляционные свойства дисперсных систем почвы и некоторых отходов промышленности и животноводства // Тр. / КубГАУ. – 2008. – № 11. –С. 177-182. 75. Белюченко И.С., Щербина В.Г. Влияние рекреационных нагрузок на содержание почвенного гумуса // Тр. / КубГАУ. – 2008. – № 10. – С. 93-96. 76. Белюченко И.С., Гукалов В.В., Мельник О.А. и др. Влияние фосфогипса на развитие и продуктивность растений подсолнечника // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2008 а. – Т. 4. – № 4. – С. 115-117. 77. Белюченко И.С., Добрыднев Е.П., Муравьев Е.И. и др. Использование фосфогипса для рекультивации загрязненных нефтью почв // Тр. / КубГАУ. – 2008 б. – № 12. – С. 72-77. 78. Белюченко И.С., Добрыднев Е.П., Муравьев Е.И. и др. Фосфогипс и проблемы его использования в сельском хозяйстве (тезисы к докладу) // Конференция: «Ресурсосберегающее земледелие: повышение урожайности, экономическая эффективность» 1-го международного аграрного конгресса «ЮГАГРО», 17-19 ноября 2008 г. 79. Белюченко И.С. Использование фосфогипса для рекультивации чернозема обыкновенного в степной зоне Кубани // В сб. I Всерос. науч. конф. «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства». Краснодар, 2009 а. – С. 54-59. 80. Белюченко И.С. Проблемы рекультивации отходов быта и производства (по материалам I всероссийской научной конференции по проблемам рекультивации отходов) // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2009 б. – Т. 5. – № 3. – С. 72-78. 81. Белюченко И.С., Муравьев Е.И. Влияние отходов промышленного и сельскохозяйственного производства на физико-химические свойства почв // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2009. – Т. 5. – № 1. – С. 84-86. 82. Белюченко И.С., Гукалов В.В., Мельник О.А. и др. Влияние фосфогипса на развитие и урожайность посевов озимой пшеницы // Эколог. Вестник Сев. Кавказа.. – 2009 а. – Т. 5. – № 2. – С. 26-34. 83. Белюченко И.С., Мельник О.А., Славгородская Д.А. Влияние фосфогипса на физические характеристики чернозема обыкновенного (на примере ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района Краснодарского края) // Сборник статей Международной научно-практической конференции «Иннова- 398 84. 85. 86. 87. 88. 89. 90. 91. 92. 93. 94. 95. ции в теории и практике обращения с отходами». Изд-во ПГТУ., Пермь. – 2009 б. – С. 37-44. Белюченко И.С., Емтыль Н.М., Мельник О.А., Скудин А.А. Возможности использования отходов мебельного и деревообрабатывающего производства в качестве органно-минерального удобрения // Сб. трудов I Всероссийской научной конференции «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства», 18-19 марта 2009 г., Краснодар, 2009 в, КубГАУ. – С. 207-209. Белюченко И.С. Экология Краснодарского края (региональная экология). Учебное пособие. – Краснодар, 2010 а. – 354 с. Белюченко И.С. Экологическое состояние бассейнов степных рек Кубани и перспективы их развития // Экол. Вестник Сев. Кавказа, 2010 б. – Т. 6. – № 2. – С. 5-16. Белюченко И.С. К вопросу о роли леса в функциональном восстановлении бассейнов степных рек края // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2010 в. – Т. 6. – № 3. – С. 3-14. Белюченко И.С. Роль регионального мониторинга в управлении природно-хозяйственными системами края // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2010 г. – Т. 6. – № 4. – С. 3-16. Белюченко И.С., Мельник О.А. Сельскохозяйственная экология / Краснодар, 2010. – 297 с. Белюченко И.С. Добрыднев Е.П., Муравьев Е.И. Экологические особенности фосфогипса и целесообразность его использования в сельском хозяйстве. // В сб. Конференции: «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства». Краснодар, 2010 а. – С. 13-22. Белюченко И.С., Добрыднев Е.П., Гукалов В.Н и др. Способ производства органоминерального удобрения / патент на изобретение RUS 2426712 18.01.2010 б. Белюченко И.С., Смагин А.В., Гукалов В.Н. и др. Экологические аспекты совершенствования функционирования агроландшафтных систем Краснодарского края // Тр. КубГАУ. 2010 в. –Т. 1. – № 26. – С. 33-37. Белюченко И.С., Мамась Н.Н., Мельник О.А. и др. Методическое пособие для проведения лабораторных и полевых занятий по изучению качества воды по общей экологии и экологическому мониторингу (методы сравнительной экологии при изучении состояния водных систем). Краснодар, КубГАУ, 2010 г. – 55 с. Белюченко И.С., Гукалов В.Н., Бережная Н.П. и др. Производство органоминерального удобрения на основе осадков сточных вод // Каталог инновационных разработок «Комплексное использование вторичных ресурсов и отходов (рециклинг отходов)». – М., 2010 д. – С. 70. Белюченко И.С., Гукалов В.Н., Мамась Н.Н. и др. Практикум по эколо- 399 гии. КубГАУ, Краснодар, 2010 е. – 293 с. 96. Белюченко И.С., Гукалов В.Н., Перебора Е.А. и др. Методическое пособие для проведения полевых и лабораторных занятий по общей экологии и экологическому мониторингу (методы описания растительности и физико-химического анализа растений). КубГАУ, Краснодар, 2010 ж. – 293 с. 97. Белюченко И.С., Добрыднев Е.П., Муравьев Е.И. и др. Способ рекультивации загрязненных нефтью почв // Каталог инновационных разработок «Комплексное использование вторичных ресурсов и отходов (рециклинг отходов)». – М., 2010 з. – С. 59. 98. Белюченко И.С., Добрыднев Е.П., Гукалов В.В. и др.. Способ борьбы с мышевидными грызунами: Патент РФ № 2421990 от 18.01. 2010 (и). 99. Белюченко И.С., Добрыднев Е.П., Гукалов В.Н. и др. Способ создания органоминерального удобрения: Патент РФ № 2423337 от 18.01. 2010 (к). 100. Белюченко И.С., Добрыднев Е.П., Гукалов В.Н. и др. Способ улучшения агрофизических свойств почвы: Патент РФ № 2423812 от 18.01. 2010 (л). 101. Белюченко И.С., Добрыднев Е.П., Гукалов В.Н. и др. Способ получения органоминерального удобрения: Патент РФ № 2423335 от 18.01. 2010 (м). 102. Белюченко И.С., Добрыднев Е.П., Гукалов В.Н. и др. Способ производства органоминерального удобрения: Патент РФ № 2426712 от 18.01. 2010 (н). 103. Белюченко И.С., Добрыднев Е.П., Гукалов В.Н. и др. Способ получения органоминерального удобрения: Патент РФ № 2423335 от 18.01. 2010 (о). 104. Белюченко И.С., Добрыднев Е.П., Гукалов В.Н. и др. Способ получения азотсодержащего органоминерального удобрения: Патент РФ № 2423336 от 18.01. 2010 (п). 105. Белюченко ИС., Гукалов В.В., Гукалов В.Н. , Славгородская Д.А. Влияние фосфогипса на физические свойства почвы // Теоретические и прикладные проблемы использования, сохранения и восстановления биологического разнообразия травяных экосистем: материалы Международной научной конференции (г. Михайловск, 16–17 июня 2010 г.) ГНУ Ставропольский НИИСХ Россельхозакадемии. – Ставрополь: АГРУС, 2010 (р). 106. Белюченко И.С., Попок Л.Б., Гукалов В.Н. и др. Производство азотсодержащего органоминерального удобрения на основании компостирования куриного помета и фосфогипса // Каталог инновационных разработок «Комплексное использование вторичных ресурсов и отходов (рециклинг отходов)». – М., 2010 (с). – С. 42. 107. Белюченко И.С., Мельник О.А., Петух Ю.Ю. и др. Методическое пособие по статистической обработке данных экологического мониторинга. Краснодар, КубГАУ, 2010 (т). – 55 с. 108. Белюченко И.С., Мельник О.А., Петух Ю.Ю. и др. Методическое пособие для проведения лабораторных занятий по общей экологии и экологиче- 400 109. 110. 111. 112. 113. 114. 115. 116. 117. 118. 119. 120. 121. 122. скому мониторингу (методы сравнительной экологии состояния почвенного покрова) // КубГАУ, Краснодар, 2010 (у). – 42 с. Белюченко И.С. Введение в антропогенную экологию /учебное пособие / Краснодар, 2011 а. – 265 с. Белюченко И.С. Экологические проблемы степной зоны Кубани, причины их возникновения и пути решения // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2011 б. – Т. 7. – № 3. – С. 47-64. Белюченко И.С. К вопросу о формировании и свойствах органоминеральных компостов и реакции растений кукурузы на их внесение // Экол. вестник Сев. Кавказа. – 2011 в. – Т. 7. – № 4. – С. 65-74. Белюченко И.С. Введение в экологический мониторинг. – Краснодар: Изд-во КубГАУ, 2011 г. – 297 с. Белюченко И.С., Гукалов В.Н. Практические основы использования отходов промышленности и сельского хозяйства в качестве мелиоранта чернозема обыкновенного // Тр. КубГАУ, 2011 – Т.1. –№ 31. – С. 152-153. Белюченко И.С., Славгородская Д.А. Влияние органоминерального компоста на плотность сложения и порозность чернозема обыкновенного // Тр. / КубГАУ. – 2011. – № 32. – С. 88. Белюченко И.С., Мельник О.А., Новопольцева Л.С., Ткаченко Л.Н. Способ переработки навозных стоков свиноводческих комплексов: Патент РФ № 2477263 от 07.07. 2011. Белюченко И.С. К вопросу о механизмах управления развитием сложных компостов // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2012 а. - Т. 8. – № 3. – С. 88111. Белюченко И.С. Использование отходов быта и производства для создания сложных компостов с целью повышения плодородия почв // Тр. /КубГАУ, 2012 б. – Т. 1. – № 38. – С. 68-72. Белюченко И.С. Применение органических и минеральных отходов для подготовки сложных компостов с целью повышения плодородия почв // Тр. /КубГАУ. – 2012 в. – Т. 1. – № 39. – С. 63-68. Белюченко И.С. Сложный компост и его роль в улучшении почв / Экол Вестник Сев. Кавказа, 2012 г. – Т. 8. – № 2. – С. 75-86. Белюченко И.С., Бережная В.П. Влияние осадков сточных вод на плодородие почвы, развитие озимой пшеницы и качество ее зерна // Тр. / КубГАУ. – 2012. – Т. 1. – № 34. – С. 148-150. Белюченко И.С., Никифоренко Ю.Ю. Влияние сложных компостов на свойства почвы и формирование почвенной биоты // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2012. – Т. 8. – № 4. – С. 3-50. Белюченко И.С., Петренко Д.В. Содержание стронция по профилю различных почв в районе предприятия по производству фосфорных удобрений (на примере ОАО «Еврохим-БМУ», г. Белореченск) // Тр. / Куб ГАУ. – 2012. – Т. 1. – № 35. – С. 123-128. 401 123. Белюченко И.С., Славгородская Д.А., Гукалов В.В. Влияние органоминерального компоста на плотность сложения и порозность чернозема обыкновенного // Тр. КубГАУ. 2012 а. –Т. 1. – № 34. – С. 88-90. 124. Белюченко И.С., Смагин А.В., Волошина Г.В. и др. Основы экологического мониторинга // Практическое пособие для бакалавров / Под общей редакцией И.С. Белюченко, А.В. Смагина. Краснодар, 2012 б. – 252 с. 125. Белюченко И.С., Мельник О.А., Петух Ю.Ю. Способ очистки черноземных почв, загрязненных тяжелыми металлами: Патент РФ № 2492944 от 22.03. 2012 (в). 126. Белюченко И.С., Мельник О. А., Никифоренко Ю.Ю. Организация экологического мониторинга биоразнообразия при изменении окружающей среды: практическое пособие для магистров. – Краснодар: КубГАУ, 2012 г. – 70 с. 127. Белюченко И.С. Дисперсность отходов и их свойства // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – 2013 а. – Т. 92. – № 92 (02). – С. 221-230. 128. Белюченко И.С. Коллоидные системы отходов разных производств и их роль в формировании сложного компоста // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – Краснодар: КубГАУ, 2013б. – № 93. – С. 787-811. 129. Белюченко И.С. Агрегатный состав сложных компостов // // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета – Краснодар: КубГАУ, 2013в. – № 93. – С. 812-830. 130. Белюченко И.С. Трофические аспекты формирования сложного компоста // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета – Краснодар: КубГАУ, 2013 г. – № 94. – С. 253-264. 131. Белюченко И.С. Проблемы развития сложных компостов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета – Краснодар: КубГАУ, 2013 д. – № 94. – С. 140-151. 132. Белюченко И.С. Дисперсные и коллоидные системы отходов и их коагуляционные свойства // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2013 е. – Т. 9. – № 1. – С. 13-38. 133. Белюченко И.С. Сложные компосты как источник расширения экологических ниш культурных растений в системе почвенного покрова // Тр. Конф. «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства. – Краснодар, 2013 ж. – С. 12-14. 134. Белюченко И.С. Применение органических и минеральных отходов при подготовке сложных компостов для повышения плодородия почв // В сб.: Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяй- 402 135. 136. 137. 138. 139. 140. 141. 142. 143. 144. 145. ственного производства (с участием экологов Азербайджана, Беларуси, Германии, Грузии, Казахстана, России, Узбекистана и Украины). – Краснодар. – 2013 з. – С. 26-30. Белюченко И.С., Зайцев С.В. Пути снижения объема отходов // Экол. Вестник Сев. Кавказа. 2013. – Т. 9. – № 2. – С. 86-88. Белюченко И.С., Мельник О.А. Снижение загрязнения черноземов тяжелыми металлами // Тр. / КубГАУ. – Краснодар. – 2013. – № 43 – С. 52-55. Белюченко И.С., Мустафаев Б.А. Интродукция растений как метод расширения видового состава культурных фитоценозов в южных районах СНГ // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2013. – Т. 9. – № 4. – С. 73-89. Белюченко И.С., Славгородская Д.А. Изменение плотности и аэрации пахотного слоя чернозема обыкновенного под влиянием сложного компоста // Докл. РАСХН. 2013 а. –№ 2. – С. 40-42. Белюченко И.С., Славгородская Д.А. Изменение агрегатного состава чернозема обыкновенного при внесении органоминерального компоста // Докл. Российской академии сельскохозяйственных наук. – 2013 б. – № 4. – С. 23-25. Белюченко И.С., Славгородская Д.А. Изменение водно-физических свойств пахотного слоя чернозема обыкновенного при внесении сложного компоста // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. – 2013 в. – № 6. – С. 47-49. Белюченко И.С., Славгородская Д.А. Changes in density and aeration of the plowed layer in common chernozem under the influence of compound compost // Russian Agricultural Science, 2013 г, № 3, рр. 261-263. Белюченко И.С., Славгородская Д.А.Change in aggregate composition of ordinary chernozem during application of organo-mineral compost // Russian Agricultural Science, 2013 д, № 5-6, рр. 412-415. Белюченко И.С., Гукалов В.Н., Попок Л.Б., Помазанова Ю.Н. Особенности распределения тяжелых металлов в почвах агроландшафта (на примере изучения агроландшафта ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района Краснодарского края) // Экол. Вестник Сев. Кавказа. 2013 а. – Т. 9. – № 2. – С. 46-62. Белюченко И.С., Мельник О.А., Никифоренко Ю.Ю., Славгородская Д.А. Использование сложного компоста при выращивании сахарной свеклы в пятилетнем севообороте // Материалы Международной научнопрактической конференции «Фундаментальная наука и технологии – перспективные разработки», Москва, 2013 б, С. 134-136. Белюченко И.С., Мельник О.А., Никифоренко Ю.Ю., Славгородская Д.А. Формирование сложных компостов и их влияние на развитие сельскохозяйственных культур // Материалы II Международной научнопрактической конференции «Академическая наука – проблемы и достижения», Москва, 2013 в, С. 134-136. 403 146. Белюченко И.С. Влияние сложного компоста на физические свойства почвенного покрова // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – Краснодар: КубГАУ, 2014а. – № 95. – С. 275-294. 147. Белюченко И.С. Вопросы защиты почв в системе агроландшафта // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – Краснодар: КубГАУ, 2014 б. – № 95. – С. 232-241. 148. Белюченко И.С. Роль живых организмов в развитии сложного компоста // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – Краснодар: КубГАУ, 2014 в. – № 96. – С. 442-469. 149. Белюченко И.С. Сложный компост как важный источник обогащения почвенного покрова питательными веществами // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – Краснодар: КубГАУ, 2014 г. – № 97. – С. 203-223. 150. Белюченко И.С. Сложный компост и круговорот азота и углерода в агроландшафтных системах // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – Краснодар: КубГАУ, 2014 д. – № 97. – С. 160-180. 151. Белюченко И.С. Сложный компост и детоксикация агроландшафтных систем // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – Краснодар: КубГАУ, 2014 е. – № 97. – С. 86-96. 152. Белюченко И.С. Особенности развития природных систем и аграрных ландшафтов западного Приазовья // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – 2014 ж. – № 99. – С. 211-222. 153. Белюченко И.С. Роль сложного компоста в биологическом круговороте элементов и веществ и устойчивости агроландшафтов / Белюченко И.С. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – Краснодар, 2014 з. – 101. – С. 843-874. 154. Белюченко И.С. Особенности минеральных отходов и целесообразность их использования при формировании сложных компостов / Белюченко И.С. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – Краснодар, 2014 и. – 101. – С. 875-895. 155. Белюченко И.С. Сложный компост и экологические ниши живых организмов в агроландшафте / Белюченко И.С. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного 404 156. 157. 158. 159. 160. 161. 162. 163. 164. 165. 166. 167. 168. университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. – Краснодар, 2014 к. – 101. – С. 1005-1031. Белюченко И.С. Экологическое состояние агроландшафтов Кубани/ Белюченко И.С. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – Краснодар, 2014 л. – 101. – С. 552-577. Белюченко И.С. Экологические основы функционирования смешанных посевов в агроландшафтах Кубани // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета – Краснодар: КубГАУ, 2014 м. –101. – С. 522-551. Белюченко И.С., Антоненко Д.А. Отходы производства и потребления как сырьевая основа сложных компостов // Экол Вестник Сев. Кавказа. 2014. – Т. 10. – № 3. – С. 14-23. Белюченко И.С., Славгородская Д.А. Change in the Physical and Water Properties of the Plow Layer of Ordinary Chernozem Soil during Application of Complex Manure // Russian Agricultural Science, 2014, Vol. 40, № 1, рр. 57-59. Белюченко И.С., Мельник О.А. Влияние сложного компоста и азотных удобрений на свойства чернозема обыкновенного и развитие посевов озимой пшеницы // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. – 2014 а. – № 2. – С. 14-16. Белюченко И.С., Мельник О.А. Влияние сложного компоста на развитие проростков и кущение растений озимой пшеницы в осенний период // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. – 2014 б. – № 1. – С. 30-32. Белюченко И.С., Мельник О.А. Использование сложного компоста при выращивании озимой пшеницы // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. – 2014 в. – № 3. – С. 29-31. Белюченко И.С., Федоненко Е.В., Смагин А.В. и др. Биомониторинг состояния окружающей среды: учебное пособие // КубГАУ, Краснодар, 2014. 153 с. Болотов А. Жизнь и приключения Андрея Болотова, описанные им самим для своих потомков. - М., 1931. – Т. 1. – 526 с. Бродский Е.С., Клюев Н.А., Фешин Д.Б. и др. Использование фторсодержащих соединений в качестве внутренних стандартов при определении полихлорированных бифенилов методом перхлорирования. – Аналитика и контроль. – 2002. – Т. 6. – № 5. – С. 545-549. Вернадский В.И. Биосфера. Избранные труды по биогеохимии. – М.: Мысль, 1967. – 374 с. Вернадский В.И. Живое вещество и биосфера. – М.: Наука, 1994. – 672 с. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и еѐ окружения. – М.: Наука, 1987.– 339 с. 405 169. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и еѐ окружения. М.: Наука, 1965. – 375 с. 170. Водяницкий Ю.Н. Тяжелые металлы и металлоиды в почвах. – М.: Почв. Ин-т им. В.В. Докучаева. – 2004. – №3. – С 22-26. 171. Волошина Г.В. Изучение функционирования микробных сообществ в объектах окружающей среды лабораторией микробиологии // Экологические проблемы Кубани. – 2006. – № 31. – С. 74-79. 172. Волошина Г.В. Влияние фосфогипса на микробоценоз почв под посевами кукурузы // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2011. – Т. 7. – № 4. – С. 59-64. 173. Волошина Г.В., Гукалов В.Н. Микробные сообщества чернозема обыкновенного (на примере агроландшафта ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района) // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2009. – Т. 5. – № 2. – С. 21-25. 174. Гаузе Г.Ф. Исследование над борьбой за существование в смешанных популяциях // Экологический журнал. – 1935. – Т. 14. – № 21. – С. 243270. 175. Гедройц К.К. Избранные сочинения. М.: Сельхозиздат, 1955. Т.1. 559 с. 176. Гиляров А.М. Современное состояние концепции экологической ниши // Успехи современной биологии, 1978. – V. 85. – № 3. – Р. 431-446. 177. Голлебах М.М., Штина Э.А. Почвенные водоросли. Л.: Изд-во АН СССР, 1969. – 228 с. 178. Горбунов Н.И. Высокодисперсные минералы и методы их изучения. М.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1963. – 303 с. 179. Горбунов Н.И. Почвенные коллоиды. М.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1967. – 147 с. 180. Горчакова А.Ю., Белюченко И.С. О возобновлении бореальных злаков // Тр. / КубГАУ. – 2012. – Т. 1. – № 37. – С. 95-102. 181. Гришина А.В., Иванова В.Ф. Транслокация тяжелых металлов и приемы детоксикации // Агрохимический вестник – 1997. – № 3. – С. 36–41. 182. Гукалов В.Н, Горбатенко Л.И., Провизен Е.В. и др. Агрономическая оценка состояния почв агроландшафта // Экол. пробл. Кубани, 2001. – № 10. – С. 49-63. 183. Гукалов В.Н, Мельник О.А., Новопольцева Л.С. Содержание гумуса в почвах Ленинградского района // Экол. пробл. Кубани, 2002. – № 16. – С. 61-64. 184. Гукалов В.Н., Мельник О.А. Содержание органического вещества в пойменных почвах реки Челбас // Экол. пробл. Кубани, 2005. – № 30. – С. 1718. 185. Гукалов В.Н., Мельник О.А., Сироткина Т.В., Яковлева О.А. Оценка экологического состояния экосистем реки Челбас // Экол. пробл. Кубани, 2005 а. – № 30. – 211-221. 186. Гукалов В.Н., Сироткина Т.В., Яковлева О.А. Фауна почв и воды в бас- 406 сейне реки Челбас // Экол. пробл. Кубани, 2005 б. – № 30. – С. 188-193. 187. Гукалов В.Н., Белюченко И.С., Демченко М.М. Динамика валового и подвижного марганца в системе агроландшафта // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2005 в. – Т. 2. – № 2. – С. 55-77. 188. Гукалов В.Н., Ткаченко Л.Н., Белюченко И.С. Паразитологический анализ отходов животноводства // Экологические проблемы Кубани. – 2006. –№ – 32. – С. 185-188. 189. Гукалов B.Н., Белюченко И.С. Состав и структура агроландшафтной системы (на примере ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района) // Тр. // КубГАУ. – 2007. – № 7. – С. 106- 111. 190. Гукалов В.Н., Мельник О.А. Соотношение органического вещества и гранулометрического состава в почвах ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района // Экол. пробл. Кубани, 2007 а. – № 33. – С. 63-65. 191. Гукалов В.Н., Мельник О.А. Динамика органического вещества в почвах агроландшафта (на примере ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района) // Труды КубГАУ, 2007 б. Вып. 2 (6). 192. Гукалов В.Н., Мельник О.А. Перспективы использования отходов сельскохозяйственных и промышленных производств для повышения плодородия почвы // Сб. трудов II Всероссийской научной конференции «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства» (с участием ученых Украины и Белоруссии), 18– 19 марта 2010 г., Краснодар, 2010 . – С. 179-184. 193. Гукалов В.Н., Попок Л.Б., Белюченко И.С. Динамика тяжелых металлов в почвенных слоях чернозема обыкновенного по годам и сезонам // Экол. Вестник Сев. Кавказа. –2010 а. – Т. 6. – № 3. – С. 28-60. 194. Гукалов В.Н., Мамась Н.Н., Мельник О.А. и др. Методическое пособие по экологии (отходы быта, промышленных и сельскохозяйственных производств). КубГАУ, Краснодар, 2010 б. – 40 с. 195. Гукалов В.В., Славгородская Д.А. Влияние сложного компоста на экологическое состояние чернозема обыкновенного, развитие и продуктивность кукурузы // Тр./ КубГАУ. – 2011 а. – Т.5. – № 44. – С. 53-59. 196. Гукалов В.В., Славгородская Д.А. Влияние фосфогипса на воднофизические свойства чернозема // Экол Вестник Сев. Кавказа, 2011 б, Том 7, № 1, С.83-85. 197. Гукалов В.В., Славгородская Д.А. Влияние сложного компоста на агрономические свойства чернозема обыкновенного и развитие растений кукурузы (на примере ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района Краснодарского края) // Экол Вестник Сев. Кавказа. 2013 в. Т.9. № 1. С. 38-88. 198. Даниелова И.И. Загрязнение объектов окружающей среды бенз(а)пиреном и свинцом под влиянием выбросов автотранспортного комплекса. // Экологическая химия. – 2001. – № 10(1). – С. 50-56. 407 199. Данюкова О.В., Мельник О.А. Использование фосфогипса в качестве кальцийсодержащего удобрения // Сб. трудов II Всероссийской научной конференции «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства» (с участием ученых Украины и Белоруссии), 18–19 марта 2010 г., Краснодар, 2010. – С. 197-199. 200. Джиллер П. Структура сообществ и экологическая ниша: пер. с англ. . – М.: Мир. – 1988. – 184 с. 201. Добровольский В.В. Биосферные циклы тяжелых металлов и регуляторная роль почвы // Почвоведение. – 1997. – № 4. – С. 431–441. 202. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экологические функции почв. – М.: Изд-во МГУ, 1986. – 137 с. 203. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Функция почв в биосфере и экосистемах. М.: Наука, 1990. – 258 с. 204. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Сохранение почв как незаменимого компонента биосферы. М.: Наука, 2000. – 185 с. 205. Донец М.Ю., Белюченко И.С. Характеристика микоценозов почв агроландшафтных систем северных районов Кубани // Экологические проблемы Кубани. – 2000. – № 8. – С. 67-77. 206. Донец М.Ю., Назарько М.Д., Белюченко И.С. Некоторые особенности развития грибных сообществ в почвах агроландшафтов Кубани // Экологические проблемы Кубани. – 2000. – № 6. – 31-38. 207. Еськов Е.К. Эволюционная экология. М.: Berse, 2009. – 670 с. 208. Иваницкий В.В., Классен П.В., Новиков А.А. Фосфогипс и его использование. – М., 1990. – 224 с. 209. Ильин В.Б. Оценка буферности почв по отношению к тяжелым металлам / В.Б. Ильин // Агрохимия. – 1995. – № 10. – С. 109–13. 210. Кабата–Пендиас А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата– Пендиас, Х. Пендиас. – М.: Мир, 1989. – 439 с. 211. Калинина О.В., Мельник О.А. Возможность рекультивации почв, загрязненных мазутом // Сб. трудов I Всероссийской научной конференции «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства», 18-19 марта 2009 г. Краснодар, 2009. – С. 216-219. 212. Качинский Н. А. Почва, ее свойства и жизнь. - М.: Наука, 1975. - 294 с. 213. Клюев Н.А., Бродский Е.С. Современные методы массспектрометрического анализа органических соединенийю. – Рос. хим. журнал. – 2002. – Т. 50. – С. 57-63 214. Кобецкая О.А., Белюченко И.С. Содержание тяжелых металлов в воде реки Кирпили // Тр. / КубГАУ. – 2007.– № 6. – С. 100-103. 215. Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова / В.А. Ковда. – М.: Наука, 1995. – 248 с. 408 216. Кононова М.М. Органическое вещество и плодородие почвы // Почвоведение. 1984. № 8. С. 6-20. 217. Кураков А.В., Белюченко И.С. Микобиота филлосферы злаков тропического происхождения на юге Таджикистана // Изв. АН Тадж. ССР, отд. биол. наук. – 1990 а. – № 2. – С. 63-67. 218. Кураков А.В., Белюченко И.С. Микроскопические грибы пастбищных и хлопковых агроценозов Южного Таджикистана // Бюл. МОИП, отд. биол. – 1990 б. – Т. 95. – Вып. 2. – С. 113-131 219. Кураков А.В., Белюченко И.С. Состав микроорганизмов коричневой карбонатной почвы при возделывании многолетних злаков и хлопчатника // Доклады ВАСХНИЛ. – 1990 в. – № 3. – С. 23-26. 220. Кураков А.Г., Белюченко И.С. Микобиота пастбищных агроценозов // В сб.: Интенсив. возделыв. кормов. культур в Яванской долине Таджикистана. – Душанбе, 1990 г. – 57-81. 221. Кураков А.В., Белюченко И.С. Микроскопические грибы почвы, ризосферы и ризопланы хлопчатника и тропических злаков, интродуцированных на юге Таджикистана // Микробиология. – 1994 а. – Вып. 6. – С. 97–104. 222. Кураков А.В., Белюченко И.С. Микроскопические грибы почвы, ризосферы и ризопланы хлопчатника и тропических злаков, интродуцированных на юге Таджикистана // Микробиология. – 1994 б. – Вып. 6. – С. 11011109. 223. Любимова И.Н., Борисочкина Т.И. Влияние потенциально-опасных химических элементов, содержащихся в фосфогипсе, на окружающую среду. – М., 2007. – 46 с. 224. Майстренко В.Н., Хамитов Р.З., Будников Г.К. Эколого-аналитический мониторинг супертоксикантов. М.: Химия. – 1996. – 319 с. 225. Макаров Е.Н. Газовый режим почвы. М.: Агропромиздат, 1988. 105 с. 226. Малиновская В.И., Мельник О.А. Содержание органического вещества в пойменных почвах степных рек // Экол. пробл. Кубани, 2005. – № 30. – C. 13-16. 227. Мельник О.А., Мочалова С.Б., Провизен Е.В. Содержание гумуса в почвах аграрных ландшафтов Кубани // Экол. пробл. Кубани, 2003. – № 20. 228. Мельник О.А. Агрономическая характеристика пойменных почв // Экол. пробл. Кубани, 2005. – № 28. – С. 167-169. 229. Мельник О.А. Оценка состояния донных отложений // Экол. пробл. Кубани, 2005. – № 28. – 163 с. 230. Мельник О.А. Содержание гумуса в пойменных почвах бассейна реки Кубань // Экол. пробл. Кубани, 2005. – № 29. – С. 192-195. 231. Мельник О.А. Физико-химическая характеристика пойменных почв бассейна реки Кубань // Экол. пробл. Кубани, 2005. – № 28. – С. 36-45. 232. Мельник О.А. Влияние растительного покрова на содержание органического вещества в почвах агроландшафта степной зоны Краснодарского 409 233. 234. 235. 236. 237. 238. 239. 240. 241. 242. края // Экология и жизнь: Сб. статей IX Межд. науч.- практ. конф. Пенза, 2006. Мельник О.А., Славгородская Д. А. Некоторые особенности физических свойств чернозема обыкновенного и фосфогипса // Сборник трудов научной конференции «Экологические аспекты развития растительных сообществ в Ботанических садах ЮФО», Краснодар, 2008. Мельник О.А. Влияние фосфогипса на развитие и продуктивность кукурузы // Сб. трудов I Всероссийской научной конференции «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства», 18-19 марта 2009 г. Краснодар, 2009 а. – С. 226-229. Мельник О.А. Использование отходов промышленного и сельскохозяйственного производства для улучшения свойств почвы //Экол.Вестник Сев. Кавказа. 2009 б. – Т. 5. – № 3. – С. 30-36. Мельник О.А., Славгородская Д.А., Ткаченко Л.Н., Новопольцева Л.С. Использование навоза КРС в сельском хозяйстве // Материалы I Всероссийской научной конференции «Проблемы рекультивации отходов быта и сельскохозяйственного производства», Краснодар, 2009 а, С. 95-99. Мельник О.А., Терещенко Е.В., Славгородская Д.А. Влияние некоторых промышленных отходов на развитие проростков озимой пшеницы // Материалы I Всероссийской научной конференции «Проблемы рекультивации отходов быта и сельскохозяйственного производства», Краснодар, 2009 б, С. 174-177. Мельник О.А. Влияние фосфогипса на продуктивность и качество урожая сельскохозяйственных культур // Всероссийская выставка Научнотехнического творчества молодежи II Международная научнопрактическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях»: Сборник научных докладов/ Мос. Гос. Строит. Ун-т – М: МГСУ, 2010 а. Мельник О.А. Влияние отходов сельскохозяйственного и промышленного производства на содержание в почве органического вещества // Экол.Вестник Сев. Кавказа. 2010 б. – Т. 6. – № 1. – С. 40-44. Мельник О.А., Славгородская Д.А. Влияние отходов промышленности и сельского хозяйства на продуктивность растений и качество урожая // Экол.Вестник Сев. Кавказа. 2010. – Т. 6. – № 4. – С. 30-33. Мельник О.А., Муравьев Е.И., Добрыднев Е.И., Белюченко И.С. Производство органоминерального удобрения на основе компостирования подстилочного навоза КРС с фосфогипсом // Каталог инновационных разработок «Комплексное использование вторичных ресурсов и отходов (рециклинг отходов)». – М., 2010. – С. 43. Мельник О.А. Основные принципы альтернативной системы земледелия при выращивании кукурузы // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – Краснодар. – 2011. – Т. 7. – № 4. – С. 29–33. 410 243. Мельник О.А., Петух Ю.Ю., Славгородская Д.А. Использование отходов промышленности и сельского хозяйства в качестве комплексных мелиорантов чернозема обыкновенного // Экол Вестник Сев. Кавказа. 2011. – Т. 7. – № 3.– С.41-46. 244. Мельник О.А. Влияние органоминерального компоста на развитие и урожайность сельскохозяйственных культур // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – Краснодар. – 2012 а. – Т. 8. – № 2. – С. 12–20. 245. Мельник О.А. Содержание органического вещества в черноземе обыкновенном и роль сложного компоста в его поддержании // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – Краснодар. – 2012 б. – Т. 8. – № 3. – С. 60–66. 246. Мельник О.А., Славгородская Д.А. Влияние сложного компоста на физические свойства чернозема обыкновенного и проблема охраны почв в системе агроландшафта // Экол Вестник Сев. Кавказа. 2013. Т. 9. № 3. С. 5-81. 247. Мельник О.А. Влияние сложного компоста на агрохимические свойства чернозема обыкновенного // Сб. трудов III Международной научной экологической конференции «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства», 20–21 марта 2013 г., Краснодар, 2013 а. – С. 31-37. 248. Мельник О.А. Влияние сложного компоста на развитие сельскохозяйственных культур и их продуктивность // Экол.Вестник Сев. Кавказа. – 2013 б. – Т. 9. – № 2. – С. 23-29. 249. Мельник О.А., Гукалов В.В., Гашенко Н. Сельскохозяйственные отходы и их использование при создании сложных компостов // Экол.Вестник Сев. Кавказа. – 2013. – Т. 9. – № 2. – С. 63-66. 250. Миркин Б.М. Теоретические основы современной фитоценологии. М.: Наука, 1985. – 137 с. 251. Муравьев Е.И.. Белюченко И.С. Оценка влияния химического производства на состояние окружающих ландшафтов // Экол. Вестник Сев. Кавказа. 2006. – Т. 2. – № 1. – С. 25-40. 252. Муравьев Е., Белюченко И.С., Петренко Д.В., Пономарева Ю.В. Оценка влияния отходов производства фосфорных удобрений на прилегающие ландшафты // Экологические проблемы Кубани. – 2006. – № 32. – С. 210213. 253. Муравьев Е.И. , Белюченко И.С. Коллоидный состав и коагуляционные свойства дисперсных систем почвы и некоторых отходов промышленности и животноводства // Тр. / КубГАУ. – 2008 а. - № 2(11). С. 177-182. 254. Муравьев Е.И., Белюченко И.С. Свойства фосфогипса на возможность его использования в сельском хозяйстве // Экол. Вестник Сев. Кавказа. 2008 б. – Т. 4. – № 2. – С. 5-17. 255. Муравьев Е.И., Белюченко И.С., Гукалов В.В., Гукалов В.Н., Мельник О.А., Петух Ю.Ю., Славгородская Д.А. Влияние фосфогипса на развитие 411 256. 257. 258. 259. 260. 261. 262. 263. 264. 265. 266. 267. 268. 269. и продуктивность растений кукурузы в севообороте // Экол. Вестник Сев. Кавказа. 2008 а. – Т. 4. – № 4. – С. 108-111. Муравьев Е.И., Попок Л.Б., Попок Е.В., Гукалов В.Н., Белюченко И.С. Закономерности латерального и вертикального распределения тяжелых металлов в почвах агроландшафта (на примере изучения агроландшафта ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района Краснодарского края) // Е.И. Муравьев, – Экол. Вестник Сев. Кавказа. 2008 б. – Т. 4. – № 1. – С. 5-24. Муравьев Е.И., Белюченко И.С., Гукалов В.В., Мельник О.А. Влияние фосфогипса на развитие растений сахарной свеклы в степной зоне Краснодарского края // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2008 в. – Т. 4. – № 4. – С. 112-114. Муравьев Е.И., Добрыднев Е.П., Белюченко И.С. Перспективы использования фосфогипса в сельском хозяйстве // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2008 г. – Т. 4. – № 1. – С. 31-39. Мустафаев Б.А., Какежанова З.Е., Белюченко И.С. Особенности переработки отходов с помощью дождевых червей разных видов в условиях павлодарской области // Эколог. Вестник Сев. Кавказа.. – 2013. – Т. 9. – № 4. – С. 50-63. Назарько М.Д., Белюченко И.С. Микробоценозы почв различных ландшафтов края // Экологические проблемы Кубани. – 2000. – № 6. –С. 39-73. Никифоренко Ю.Ю. Состав почвенной мезофауны в черноземе обыкновенном при внесении сложного компоста // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2013. – Т. 9. – № 2. – С. 30-39. Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П. Экология. М.: Дрофа, 2006. – 622 с. Новопольцева О.А. Содержание гумуса в почвах Анапского района // Экол. пробл. Кубани, 2002. – № 14. – С. 45-46. Новопольцева О.А.Содержание гумуса в почвах Темрюкского района // Экол. пробл. Кубани, 2002. – № 15. – С. 92-95. Одум М.Ю. Основы экологии – М.: Мир, 1975. – 740 с. Онипченко В.Г. Механизмы обособления экологических ниш у наземных растений // Журнал общей биологии. 1987. – Т. 48. – № 5. – С.687-695. Онипченко В.Г. Роль почвы в формировании и сохранении разнообразия растений // Роль почвы в формировании и и сохранении биологического разнообразия / Отв. ред. Г.В. Добровольский, И.Ю. Чернов. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2011. – С. 86-155. Онипченко В.Г. Функциональная фитоценология. – Москва. – 2013. – 568 с. Опарин А.И. Возникновение жизни на Земли. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 458 с. 412 270. Орлов Д.С., Воробьева Л.А., Мотузова Г.В. Почвенно–химические условия, ограничивающие уровни показателей химического состояния почв при их загрязнении / Д.С. Орлов, // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах: Тр. 5– го Всесоюзн. Совещ. (Обнинск) – Л.: Гидрометеоиздат, 1989. – С. 243–248. 271. И.С. Белюченко (RU) Патент № 2019947. Способ создания полидоминантных пастбищ в континентальных субтропиках. № заявки: 4904119/15. Дата подачи заявки 22.01.1991, Дата публикации: 30.09.1994. 272. Белюченко И.С., Котляров Н.С., Заплишный В.Н. и др. Патент на изобретение RUS 2204227 24.09.2001. Способ предпосевной обработки семян пшеницы. 273. Богатырев Н.И., Белюченко И.С. и др. Патент на изобретение RUS 2206516 02.10.2001. Электромагнитное устройство для обработки жидкости. 274. Белюченко И.С., Добрыднев Е.П., Муравьев Е.И. и др. Патент на изобретение RUS 2402079 11.08.08.Российская Федерация. МПК G09C 1/10, C122N. Способ рекультивации почв, загрязненных нефтью. 275. Белюченко И.С., Добрыднев Е.П., Гукалов В.Н.Патент на изобретение RUS 2423812 18.01.2010. Способ улучшения агрофизических свойств почвы. 276. Петренко Д.В., Белюченко И.С. Влияние отходов Белореченского химзавода на содержание стронция в окружающих ландшафтах // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2012. – Т. 8. – №1. – С. 4-79. 277. Петренко Д.В., Белюченко И.С., Сокирко В.П. Стронций в почвах ландшафтов, окружающих предприятие по производству фосфорных удобрений (на примере ОАО «ЕвроХим-БМУ», г. Белореченск) // Тр. / КубГАУ. – 2012. – Т. 1. – № 35. – С. 189-194. 278. Пианка Э. Эволюционная экология. М.: Изд-во Мир, 1981. – 399с. 279. Пилюк, Н.В. Использование фосфогипса в рационах молодняка крупного рогатого скота // Научные основы развития животноводства в РБ. Минск, 1994. - Вып. 25. - С. 164-173. 280. Пилюк, Н.В. Использование фосфогипса в качестве источника серы в рационах крупного рогатого скота // Актуальные проблемы интенсивного развития животных. - Горки, БСХА. – 1996а. -С. 80-82. 281. Пилюк, Н.В. Свободное скармливание минеральных подкормок крупному рогатому скоту // Животноводство Беларуси. – 1999б. - №1(2). - С.10-11. 282. Письменов B.H. Получение и использование бесподстилочного навоза. – М.: Колос, 1984-159 с. 283. Пономарева Ю.В., Белюченко И.С. Влияние фосфогипса на свойства почвы и прорастание семян озимой пшеницы / Экологические проблемы Кубани, 2005. – № 27.– С. 184. 413 284. Пономарева Ю.В.. Белюченко И.С. Грибные консорты озимой пшеницы в степной зоне Краснодарского края // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2005. – Т. 1. – № 2. – С. 128-137. 285. Попова Т.В., Гукалов В.Н., Белюченко И.С. Особенности распределения тяжелых металлов в корнеобитаемом слое чернозема обыкновенного в разных местообитаниях // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2010. – Т. 6. – № 1. – С. 24-26. 286. Попок Л.Б., Белюченко И.С., Гукалов В.Н. и др. Получение органоминерального удобрения на основе сельскохозяйственных отходов и фосфогипса // Каталог инновационных разработок «Комплексное использование вторичных ресурсов и отходов (рециклинг отходов)». – М., 2010. – С. 44. 287. Попок Л.Б., Белюченко И.С. Корреляционно-регрессионный анализ в изучении взаимосвязи содержания тяжелых металлов с агрофизическими и агрохимическими свойствами почв // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2013. – Т. 9. – № 4. – С. 45-49. 288. Провизен Е.В., Новопольцева О.А. Гумус в почвах Крымского района // Экол. пробл. Кубани, 2001. – № 13. – С. 55-58. 289. Провизен Е.В., Четвертакова И.В., Лавриненко Т.И., Новопольцева О.А. Взаимосвязь содержания гумуса и физической глины в почвах степной зоны Краснодарского края // Экол. пробл. Кубани, 2000. – № 6. – С. 74-79. 290. Работнов Т.А. Экология луговых трав. М.: Изд-во МГУ, 1985. – 76 с. 291. Раменский Л.Г. Введение в комплексное почвенно-геоботаническое исследование земель. – М.: Сельхозгиз, 1938. – 620 с. 292. Роде А. А. Основы учения о почвенной влаге. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. 663 с 293. Рожков А.Г. Эрозия и плодородие черноземов // Агроэкологическое состояние черноземов ЦЧО. Курск, 1996. – С. 237-246. 294. Селиванов И.А. Микосимбиотрофизм как форма консортивных связей в растительном покрове Советского Союза. М.: Наука, 1981. – 232 с. 295. Сергеева А.С., Мамась Н.Н., Корунчикова В.В. и др. Формирование растительного покрова на отвалах фосфогипса Белореченского завода «ЕвроХим-БМУ» // Материалы I Всероссийской научной конференции «Проблемы рекультивации отходов быта и сельскохозяйственного производства», Краснодар, 2009. – С.157-163. 296. Славгородская Д.А. Изучение оструктуренности почвы и некоторых отходов производства // Экологический Вестник Северного Кавказа. 2009 а. – Т.5. – №3. – С. 79-81. 297. Славгородская Д.А. Изучение взаимодействия элементарных частиц почв и фосфогипса // Материалы I Всероссийской научной конференции «Проблемы рекультивации отходов быта и сельскохозяйственного производства», Краснодар, 2009 б. – С. 230-232. 298. Славгородская Д.А. Влияние фосфогипса на агрофизические свойства поч- 414 299. 300. 301. 302. 303. 304. 305. 306. 307. 308. 309. вы // Материалы II Всероссийской научной конференции «Проблемы рекультивации отходов быта и сельскохозяйственного производства», Краснодар, 2010 а, C. 168-171. Славгородская Д.А. Влияние фосфогипса на физические свойства чернозема обыкновенного // Материалы II Международной научнопрактической конференции «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях», МГСУ, Москва, 2010 б. – С. 267-268. Славгородская Д.А., Муравьев Е.И., Белюченко И.С. и др. Способ улучшения агрофизических свойств почвы на основе внесения навоза КРС с фосфогипсом // Каталог инновационных разработок «Комплексное использование вторичных ресурсов и отходов (рециклинг отходов)». – М., 2010. – С. 43. Славгородская Д.А. Влияние органоминерального компоста на агрофизические свойства чернозема обыкновенного в посевах кукурузы // Экол Вестник Сев. Кавказа. 2011. – Т. 7. – № 4. – С. 42-48. Славгородская Д. А., Гукалов В.В. Влияние органоминерального компоста на плотность сложения и порозность чернозема обыкновенного // Тр. / КубГАУ. – 2011. – № 34. – С. 86-89. Славгородская Д.А. Агрофизические свойства чернозема обыкновенного и роль сложного компоста в их улучшении // Экол Вестник Сев. Кавказа. 2012 а. Т. 8. № 3. С. 31-45. Славгородская Д.А. Влияние органоминерального компоста на физические и агрохимические свойства чернозема обыкновенного // Экол Вестник Сев. Кавказа. – 2012 б. – Т. 8. – № 2. – С. 5-11. Славгородская Д.А. Воздействие сложного компоста на структуру чернозема обыкновенного и его физические свойства // Экол Вестник Сев. Кавказа. – 2013. – Т. 9. – № 2. – С. 40-45. Славгородская Д.А. Мелиорация сельскохозяйственных земель с использованием компоста на основе отходов растениеводства // Материалы V Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях», Москва, 2013. – С. 206-209. Смагин А.В. Современные проблемы черноземной зоны и возможные пути их решения // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2011. – Т. 7. – № 4. – С. 8-24. Смагин А.В. Теория и практика конструирования почв. – М.: Изд-во МГУ, 2012. – 542 с. Сорокина Н.П., Когут Б.М. Динамика содержания гумуса в пахотных черноземах и подходы к еѐ изучению // Почвоведение. – 1997. – № 2. – С. 178-184. 415 310. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Глобальная эволюция Земли. М.: Изд-во МГУ, 1991. – 446 с. 311. Тейт Р.Л. Органическое вещество почвы: биологические и экологические аспекты. М.: Наука, 1991. – 400 с. 312. Трифонова Т.А. Трансформация и миграция токсичных компонентов промышленных отходов в почвенных покровах речного бассейна / Т.А. Трифонова, Н.В. Селиванова, Д.В. Карпова и др. // Экология речных бассейнов: материалы Междунар. научно–практич. конф. – Владимир, 1999. – С. 100–103. 313. Уиттекер Р. Сообщества и экосистемы. – М.: Прогресс, 1980. – 326 с. 314. Умаров М.М. Некоторые биохимические показатели загрязнения почв тяжѐлыми металлами / М.М. Умаров, Е.Е. Азиева // Тяжѐлые металлы в окружающей среде. – М.: Изд– во МГУ, 1980. – С. 109–115. 315. Умаров М.М. Ассоциативная азотфиксация в биогеоценозах // Почвенные организмы как компоненты биогеоценоза. М.: Наука, 1984. – С. 185-199. 316. Уранов А.А. Фитогенное поле // Проблемы современной ботаники. – М.– Л. Наука. – 1965. – Т. 2. – С. 251-254. 317. Фѐдоров В.Д., Гильманов Т.Г. Экология. М.: Изд-во МГУ, 1980. – 463 с. 318. Федоров Л.А. Диоксины как экологическая опасность: ретроспектива и перспектива. М.: Наука, 1993. – 265 с. 319. Ферсман А.Е. Геохимия. Л., 1937. – Т. 3 . – 503 с. 320. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. – Л.: Химия, 1974 – 352 с. 321. Чернова Н.М., Былова А.М. Общая экология. М.: Дрофа, 2007. – 410 с. 322. Черных Н.А. Влияние тяжелых металлов на ферментативную активность почв / Н.А.Черных // Химизация сельского хозяйства. – 1991. – № 1. – С. 40–42. 323. Чеснокова С.М., Трифонова Т.А., Васильева Н.В. и др. Сравнительная оценка различных способов детоксикации почв, загрязнѐнных тяжѐлыми металлами // Экология речных бассейнов: тезисы докладов Междунар. науч.– практ. конф.– Владимир, 1999. – С. 109. 324. Шварц С.С. Экологические закономерности эволюции. – М.: Наука, 1980. – 255 с. 325. Шилов И.А. Экология. М.: «Высшая школа», 1997. – 512 с. 326. Шлегель Г. Общая микробиология. М.: Мир, 1987. – 567 с. 327. Щербина В.Г., Щербина Ю.Г., Белюченко И.С. Характеристика почвенных беспозвоночных в условиях антропогенной нарушенности почвенного покрова // Регион. пробл. юга России: Докл. научн. конф., Сочи / Соч. фил. Рос. гос. ун-та им. А.И. Герцена. – Сочи, 1995. – Деп. в ВИНИТИ № 2811-В95. 328. Яценко М.В., Белюченко И.С., Баранова С.Б., Демченко М.М. Содержание ванадия в ландшафтах степных рек Кубани // Экологические проблемы Кубани. – 2005 а. – № 30. – С. 49-50. 416 329. Яценко М.В., Белюченко И.С., Демченко М.М. Содержание железа в ландшафтах степных рек Кубани // Экологические проблемы Кубани. – 2005 б. – № 30. – С. 35-38. 330. Яценко М.В., Белюченко И.С., Демченко М.М. Содержание никеля в ландшафтах степных рек Кубани // Экологические проблемы Кубани. – 2005 в. – № 30. – С. 23-26. 331. Belyuchenko I.S. Wastes of different production and their properties// Ciencia e Tecnica Vitivinicola, 2014 а. – V. 29. – № 9. – P. 37-50. 332. Belyuchenko I.S. Complex compost and soil protection from heavy metals in the agrolandscape system // Bothalia journal. 2014 б. – Vol. 44. – № 12. – Р. 69-79. 333. Belyuchenko I.S. Complex compost and its impact on agrochemical properties of typical chernozem in Krasnodar territory.// Bothalia Journal. Pretoria, South Africa. – 2014 в. – Vol. 44. – № 12. – Р. 14-19. 334. Belyuchenko I.S., Gorchakova A. Yu. Ecological aspects of practical plant introduction in the botanical garden of Kuban Agrarian University (Russia) // Bothalia journal. Pretoria, South Africa, 2014. – Vol. 44. – № 10. – Р. 15-25. 335. Belyuchenko I.S., Gorchakova A.Yu., Slavgorodskaya D.A. Сolloidality of household and industrial waste and their role in the formation of complex compost // Ciencia e Tecnica Vitivinicola. Printed in Portugal. – 2014. - Vol. 29. – № 12. – Р. 110-121. 336. Belyuchenko I.S., Mel’nik O.A. Application of Complex Compost in the Course of Winter Wheet Cultivation // Russion Agricultural sciences. – 2014. – № 3. – Р. 29-31. 337. Blaylock M.J. Enhanced accumulation of Pb in Indian mustard by soil–applied chelating agents / M.J. Blaylock, D.E. Salt, S. Dushenkov et аl. // Environ. Sci. Technol. - 1997. – V. 31. – № 3. – Р. 860–865. 338. Christensen B.T. Physical fractionation of soil and organic matter in primary particle size and density separates // Advances Soil Sci. 1992. Vol. 20. P.1-90. 339. Edwards Л.Р., BremnerJ.M. Microaggregatcs in soils // Soil Sci, 1967. Vol. 18. P. 64-73. 340. Gaffney P.M. (Цит. Р.Джонсон (Johson, 1910). Roots of the niche concept. Amer. Natur. – 1975, 109. – 490 c. 341. Gorchakova A. Yu., Belyuchenko I.S. Development and yield capacity of grass // Life Science Journal. 2014 а;11(11). – P. 467-472. 342. Gorchakova A. Yu., Belyuchenko I.S. About aftergrowth of grasses // Bothalia Journal. Pretoria, South Africa, 2014 б. – Vol.44. – №6. – Р. 13-20. 343. Gorchakova A. Yu., Belyuchenko I.S. Revisiting of grass brunching // Bothalia journal. Pretoria, South Africa.2014 в. – Vol.44. – №8. – Р. 163-179. 344. Gorchakova A. Yu., Belyuchenko I.S. About features of grass brunching // Bothalia Journal. Pretoria, South Africa. – 2014 г. – Vol. 29. – № 8. – Р. 8098. 417 345. Grinnell J. Geography and evolution, Ecology, 1924, 5. – P. 225-229. 346. Grinnell J. The niche relationships of the California transher, Auk, 1917, 21. – P. 364-382. 347. Hutchinson Y.E. Conoluding remarks, Cold sping Harbor Symp. Quant. Biol., 1957, 22. – P. 415-427. 348. Kurakov A.V., Than H.T.H., Belyuchenko I.S .Microscopic fungi of soil, rhizosphere, and rhizoplane of cotton and tropical cereals introduced in southern Tajikistan // Микробиология. – 1994. – Т. 63. – № 6. – С. 1101. 349. Ocio J.A., Brookes P.C.Jetikinson D.S. Field incorporation of straw and its effects on soil microbial biomass and soil inorganic N // Soil. Biochem. 1991.– Vol. 23. – № 2. – P. 171-176. 350. Odum E.P. Fundamentals of ecology (2 not ed.), Saunders, Philadelphia, 1959. – 564 p. 351. Tiller K.G. The relative affinities of Cd, Ni, and Zn for different soil clay fractions and goethite / K.G. Tiller, J. Gerth, G. Brummer // Geoderma. – 1984. – V. 34. – Р. 17–35. 352. Tyler G. Heavy metal pollution and soil enzymation activity Plant and soil Biology of North–West Caucasus / Tyler G. // Summaries of Latinarican Cоngress of Soil Science Chile, 1999. – P. 206. 353. Watt K.E.F. Comments on fluctuations on animal populations and measures of community stability. Canad. Entomol., 1964, 96. – Р. 1434-1442. 354. Whittaker R.H. Levin S.A., Root R.B. Niche, habital and ecotope, Amer. Natut., 1973, 107. – P. 321-338. 418 Научное издание Белюченко Иван Степанович ОТХОДЫ БЫТА И ПРОИЗВОДСТВА КАК СЫРЬЕ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ СЛОЖНЫХ КОМПОСТОВ Мо но гр а фи я Редактор – В. И. Титова Подписано в печ а т ь 0 6 .0 2 .2 0 1 5 . Ф о р м а т 6 0 ×8 4 1 / 1 6 . Ус л. печ . л – 2 3 ,5 , Уч. - из д. л. – 1 8 ,4 . Т ир аж 1 5 0 э кз. З а каз № Редакционный отдел и типография Кубанского государственного аграрного универстета. 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13 419
