Анализ ресурсов и путей повышения плодородия почв

УКД 631.95: 631.417.2
АНАЛИЗ РЕСУРСОВ И ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВ
В.Е. Кузнецов, Е.В. Кузнецов
Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск, Украина
Научно-технический прогресс с увеличивающимися темпами интенсификации
техногенной деятельности ставит целый ряд проблем, которые в соответствии с общими
законами взаимозависимостей в природных явлениях оказываются переплетёнными в
тесный клубок взаимозависимостей и взаимовлияния. Процессы хозяйственной
деятельности, неся в себе позитивы, ради которых они и используются, почти всегда
обусловливают негативные проявления, оказывающиеся в тесной взаимосвязи с
природными процессами, нарушая ход естественных процессов и их баланс равновесия в
природной среде. Но хозяйственная деятельность основана на использовании природных
ресурсов, темпы которого возрастают в связи с её интенсификацией. Ресурсы зачастую
являются конечными, не возобновляемыми, поэтому необходим поиск вариантов их
замены, возмещения, экономичного расходования и др.
В итоге возникают две крупнейшие проблемы, влияющие на все остальные:
проблема сырьевой базы хозяйственной деятельности - комплекса всех исходных
продуктов, сырьевых природных ресурсов, используемых в производственных процессах,
и проблема неиспользуемых побочных продуктов производственных процессов,
именуемых отходами. Эти проблемы известны давно, также давно ведётся и поиск путей
их решения. Однако в прошлом из-за недостаточного уровня знаний и опыта поиск
осуществлялся методом проб и ошибок без глубокого осознания одной из главных
природных закономерностей – тесной взаимосвязи между всеми составными звеньями
естественных взаимозависимых цепочек. Характерным примером этому служит
предпринятая мировой практикой попытка интенсификации растениеводства с помощью
химизации, что привело к многосторонним негативным последствиям. То же можно
отнести и к более поздним подобным попыткам в животноводстве. Из этих неудачных
попыток мировая практика вынесла основополагающий вывод:
хозяйственная
деятельность должна максимально соответствовать естественным природным процессам
с минимальными нарушениями их хода. Однако это не всегда удаётся по двум причинам:
недостаточный уровень развития техники и недостаточно глубокое осознание проблем.
Например, в настоящее время ведется интенсивный поиск путей решения энергетической
проблемы посредством использования возобновляемых источников энергии, поскольку
традиционные невосстанавливаемые природные ресурсы почти исчерпаны. Это может
привести к повторению прежних ошибок. Если
использование в качестве
возобновляемых энергоисточников солнечной энергии, энергии ветра, приливов,
гидроэнергии и т.п. не вызывает никаких сомнений, то использование в этих же целях
биомассы требует взвешенного отношения. Относя биомассу к разряду
восстанавливаемых ресурсов, нельзя не учитывать, что её образование в природной среде
происходит не только благодаря энергии солнца, но и энергии почвенного гумуса. А
гумус – это ресурс уже иной категории, который очень медленно восстанавливается и
легко разрушается хозяйственной деятельностью. В настоящее время темпы потребления
гумуса резко возросли. Интенсивные системы земледелия приводят к быстрой деградации
почв,
снижая содержание в них гумуса, по данным ФАО (продовольственносельскохозяйственная структура ООН), в мировом масштабе на 25…30%, а местами на
50% и более. Содержание гумуса в почвах Чернозёмной зоны Украины и Российской
Федерации снизилось с 10…14 до 3…4% (воронежский чернозём как эталон плодородия
представлен в Парижской Палате мер и весов). Одна из причин снижения содержания
гумуса в почве связана с применением безоргановозвратных систем земледелия. При
съёме одного урожая теряется 3…3,5 т/га и до 5 т/га - при содержании почв в парах.
Другие причины – ветро- и гидроэрозия, разрушение гуматно-фульватных соединений
гумуса в почве при нарушениях в почвенных процессах и т.д.
На этом фоне широкое использование биомассы в энергетике вряд ли может быть
признано перспективным. Однако в энергетике могут быть использованы такие
органоотходы, которые сегодня не находят эффективного хозяйственного применения.
Другие же варианты вовлечения биомассы в энергетику уже сейчас вызывают сомнение.
Здесь уместны слова Д.И. Менделеева о сжигании угля в топках ввиду ценных его
свойств: «Всё равно, что топить ассигнациями». Прямое сжигание ряда отходов,
например бытовых, при малой калорийности сопровождается вредными выделениями. То
же можно отнести к сжиганию соломы злаковых культур, чему посвящено много
теоретических и практических работ. Известно, что её использование в кормовых целях
ограничено ввиду особенности её строения и трудностью усвоения животными
организмами. Однако тонко измельченная в муку она прекрасно усваивается животными
и поэтому является ценным кормовым продуктом. Ценным вариантом её хозяйственного
использования явился бы и возврат её органомассы в почву в качестве её
органопополнения. Однако ни тот, ни другой вариант не нашли достаточного применения
ввиду отсутствия совершенных технологий и оборудования. Именно по этой причине она,
как и многие другие подобные отходы попадает в поле зрения энергетики с созданием
специального оборудования и технологий для её сжигания при невысокой экономической
отдаче ввиду низкой калорийности. Очевидно, что средства, затрачиваемые на их
создание, могли бы решить вопрос более рационального хозяйственного использования
той же соломы, в том числе комплексного решения с получением биогаза и удобрений.
Очевидно, что в данном случае имеет место ведомственный подход к проблеме (с
позиций энергетики) с использованием простейшего варианта применения. Приведённый
пример является хорошей иллюстрацией к необходимости комплексных взвешенных
подходов в решении проблем хозяйственного использования органоотходов.
Можно привести и другие примеры использования биомассы в энергетике,
целесообразность которого можно ставить под сомнения. Например, в материалах
Второй в Украине международной конференции «Энергия из биомассы» /Киев, сентябрь
2004 / имеются сообщения о засеве в Латвии больших площадей рапсом с целью
получения жидкого топлива, осуществляемое в соответствии с директивами ЕС. Такие
меры, по-видимому, следует считать целесообразными при высокоурожайных почвах с
организацией их хорошего органопополнения, так как этот вариант получения моторных
топлив с учётом приведённых характеристик убыли гумуса в почвах при возделывании
сельхозкультур тождественен сжиганию гумуса. Долгосрочное использование
малоурожайных почв для таких целей проблематично.
Примеры иллюстрируют необходимость взвешенного и комплексного подхода при
использовании природных ресурсов, отходов и др. Однако необходимость взвешенных
оценок не должна вступать в противоречие с необходимостью их хозяйственного
использования.
Практика внедрения научно-технических новшеств показывает, что на первых
этапах внедрения используются наиболее простые и доступные варианты с
заимствованиями решений, технологий, оборудования из смежных сфер деятельности.
Это целиком можно соотнести и к проблеме использования биомассы в энергетике. Из-за
отсутствия более рациональных вариантов хозяйственного использования отходов
органомассы они, естественно, попадают в поле зрения энергетики. При этом в первую
очередь используются, как сказано, простейшие варианты их использования –
непосредственное прямое сжигание. Тем самым произведённая природной средой
органика за счёт использования накопленного в ней гумуса безвозвратно изымается из
природного
органооборота.
Этим
подрываются
основы
восстановления
гумусосодержания почв и, тем более накопление в них гумуса. Эти явления, к счастью,
пока далеки от крупного влияния на гумусосодержание почв, однако не исключается и
очередная масштабная ошибка.
Имеется целый ряд и других негативных проявлений, приведших к состоянию почв,
когда ряд учёных-аграриев высказывают пессимистичные прогнозы о наступлении
кризисных явлений в их плодородии в обозримом будущем, если не произойдёт
радикальных изменений в практике земледелия.
Из анализа приобретённого на ошибках опыта можно сделать вывод, что таким
радикальным изменением может быть только одно – внедрение в практику
органовозвратной системы земледелия, при которой, как минимум, в почву возвращается
органика в количествах, эквивалентных изъятой с урожаями и утерянной почвами по
другим причинам. Этим будет приостановлена прогрессирующая на современном этапе
дальнейшая деградация почв. Оптимальным является повышение органосодержания
почв, что требует внесение органики в больших дозах. Другим условием
приостановления деградации является отсутствие воздействий на почвы, носящих по
отношению к ним инородный характер. Так, внесение в почвы значительных доз
минеральных удобрений, снижение гумусосодержания приводит к перестройке питания
микроорганизмов на углеродное, с потреблением гумусных соединений, что приводит к
распаду гумуса. Подобные потери могут достигать больших величин с учётом того, что
масса почвенного зооценоза достигает 90% от массы всего биоценоза биосферы. Это
является одним из свидетельств хрупкости земной оболочки Жизни – биосферы.
Инородным по отношению к почвенным биосообществам может быть и форма внесения
органики в почву. Необходимо, чтобы форма её внесения полностью соответствовала
естественным природным циклам органопревращений, природному органообороту.
Известно, что органоразложение в природной среде происходит в две стадии:
микробиологическое до промежуточных форм, носящее название компостирования
(разновидность – сбраживание при отсутствии доступа воздуха), и разложение до
конечных форм, усваиваемых растениями – гуматно-фульватных соединений,
составляющих гумус. Последнее осуществляется многообразными видами почвенного
макробиоценоза, среди которых доминирующую роль играют многочисленные виды
червей («черви создали почвы»). Поиск путей промышленного решения
органоразложения привёл к одному знаменательному результату – промышленно
ускоренному масштабному органоразложению первой стадии, осуществляемому на
заводах компостирования. Хотя эти заводы имеют целевое назначение – переработка
бытовых отходов, однако достигнутые на них результаты дают основания считать, что
они могут служить опорной точкой для решения всей проблемы в целом – промышленно
ускоренной полноцикловой переработки органоотходов до конечных форм
органоразложения. В природных условиях процессы органоразложения происходят после
отмирания форм органической жизни в две стадии по описанной ранее схеме и носят
ограниченный характер, соответствуя циклам времён года. Эти процессы являются
неотъемлемой частью природного органооборота. Однако массированное внесение
неразложившейся органики, или даже прошедшей первую стадию микробного
органоразложения по отношению к почвенному биосообществу является инородным
актом, резко нарушающим течение природных процессов. Такими актами является
внесение в почву навоза, компостов, что хорошо известно практикам земледельцам. Их
внесение приостанавливает на 2…3 года естественный ход почвенных процессов из-за
гибели ряда взаимосвязанных между собой звеньев природных цепочек почвенных
сообществ. Соответственно происходит снижение плодородия почвы, урожайности,
восстановление которых происходит после восстановления погибших звеньев. Лишь
после этого и окончательного разложения органики происходит отдача от внесённого не
до конца разложившегося органоудобрения. Отсюда следует вывод, что для внедрения
промышленной органопереработки органоразложение второй стадии следует проводить
вне почвы. По этим причинам промышленное компостирование на компостных заводах,
несмотря на достоинства, не получило значительного развития, ограничившись
переработкой бытовых отходов. Препятствием этому является и другая причина –
поражённость бытовых отходов соединениями тяжёлых металлов. Это ограничивает
практическое использование получаемых на них компостов задачами озеленения и
выращивания технических культур.
Здесь уместно упомянуть о защитной роли гумуса, выполняющему функцию,
подобную озоновому слою в атмосфере, защищаемому Жизнь от поражения жёсткими
космическими излучениями. Гуматно-фульватные соединения связывают соединения
радионуклидов в формы, не усваиваемые растениями, с последующим их вымыванием в
глубокие грунтовые горизонты. Этим радионуклеиды изымаются из обращения в
биоцепочках «растения – животные – человек».
Итак, для приостановки деградации плодородия почв, их реставрации необходим
промышленно ускоренный масштабный дубль природных циклов органооборота,
полностью дублирующих их.
Успешная, хотя и отличающаяся рядом несовершенств и недостатков попытка
внедрения такого дубля мировой практикой земледелия осуществлена. Это
использование для полноцикловой переработки органоотходов культуры так называемого
«калифорнийского червя» вида Eisenia foetida (Sav). Его культивирование позволило
достичь больших положительных результатов. Одним из главных недостатков
направления является ограниченые возможности его использования в широтах с
умеренным и холодным климатом, что обусловлено несовершенствами организации его
технологии. Необходимо дальнейшее его совершенствование.
Авторами доклада предпринята такая попытка – разработан проект промышленно
ускоренной полноцикловой всемасштабной переработки органоотходов. В проекте также
предусмотрены варианты органоразложения с возможностью параллельного решения
энергетических проблем – попутным получением биогаза. Этим осуществляется
комплексный подход к переработке органомассы. Масштабное внедрение проекта
способно решать стоящую перед земледелием задачу внедрения органовозвратной
системы земледелия.
На решение этой же задачи направлен другой проект авторов использованием
сапропелей – иловых отложений пресноводных водоёмов.
Ранее отмечалось, что одним из направлений решения сложных задач, возникших в
связи с интенсификацией хозяйственной деятельности является поиск новых,
нетрадиционных природных ресурсов. К таким ресурсам, несомненно, можно отнести
сапропели, запасы которых в природной среде огромны. Они составляют по странам СНГ
260 млрд.м3 и по Европейской части 92 млрд.м3 и принадлежат к категории восстанавливаемых: их ежегодный прирост по толщине залежи составляет 3…8 мм. Их образование
связано с гидроэрозией почв, их смывом в водоёмы водостоками и образованием
органики в самих водоёмах. Смыв почвенной органики в водоёмы является негативным
проявлением образования сапропелей, приводящим к снижению гумусосодержания почв,
о чём упоминалось ранее. Другим негативным проявлением их образования является
заиливание водоёмов с утерей ими хозяйственного значения и статуса хранилищ запасов
пресной воды в природной среде. Проблема является актуальной не только в связи с
сокращением запасов воды в водоёмах, но и в связи со снижением водоудерживающей
способностью природных ландшафтов, их суммарной водовместимостью. Снижение этих
показателей приводит к тому в планетарных масштабах сокращаются запасы пресной
воды с реально возникающей угрозой «водного голода». Иллюстрацией этому могут
служить сокращение величины стоков крупных рек. Например, годовой сток реки Дон
составлял в начале прошлого века 36 км3, составив к началу 1980-х годов 19 км3.
Водоудерживающая способность ландшафтов определяется не только ёмкостью их
водоёмов, но и в большой мере состоянием почв. Это связано не только с широко
известными причинами, как вырубка лесов, распашка почв и др., но и структурой почв.
Снижение их гумусосодержания приводит не только к прямому снижению урожайности
за счёт снижения органосодержания, но и к утере ими агломератной пористо-комковатой
структуры. Её утеря приводит к образованию лёссообразной структуры с низкой
водоудерживающей способностью. Это приводит к целому ряду негативных проявлений
гидрологического характера – повышение уровня грунтовых вод, приводящее к
вымоканию растений, снижение запасов почвенных вод, питающих мелкие водные
источники, а также к повышению испарения выпавших осадков и др. При такой
структуре в большой мере возрастают явления гидроэрозии почв из-за увеличения
интенсивности водных стоков от выпадающих осадков и более лёгкого смыва
лёссообразной структуры. Снижение почвами водопоглощения с интенсификацией
стоков выпавших осадков при отсутствии природных водовместилищ в виде водоёмов
приводит к заболачиванию отдельных участков с потерей ими хозяйственного значения.
Агломератная структура почв улучшает их водно-воздушный режим, благодаря
хорошему водопоглощению осадков уменьшается испарение в атмосферу. Поглощённая
влага, проникая в глубокие почвенные горизонты, даёт питание многочисленным водным
источникам, тем самым создавая оптимальные условия для состояния ландшафтов.
Задачу создания агломератной структуры почвы могут успешно решать сапропели,
обладающие благодаря коллоидной структуры настолько высокой клеящей
способностью, что они применяются в качестве связующих в стройиндустрии при
производстве стружечных плит и т.п. При этом клеящие свойства применительно к
почвам носят долгосрочный характер. Но эти свойства не являются определяющим
свойством сапропелей. Наиболее важным их свойством является высокое
органосодержание, достигающее 90% и выше в небольших закрытых озёрах, при этом
органика находится в форме, полностью готовой к усвоению растениями. Кроме того,
сапропели обладают ещё рядом ценных свойств: большим набором биологически
активных веществ, высокой насыщенностью многообразными микроорганизмами при
отсутствии патогенной микрофауны и микрофлоры, богатым набором микроэлементов.
Таким образом, использование сапропелей для целей повышения плодородия почв
наряду с предыдущим проектом способно решать поставленную задачу. Одновременно
решается другая важная задача – реставрация водоёмов, что окажет существенное
влияние на жизнь природных ландшафтов с созданием благоприятных условий для
хозяйственной деятельности.