Влияние сложного компоста на физические свойства почвенного покрова

Промышленность и сельское хозяйство, а также жизнеобеспечение населения производят большое количество отходов, которые с нашей планеты никуда не денутся, а ежегодно накапливаются, занимая все новые территории, включая 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 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, цементных, свеклосахарных и консервных продуктов животноводческих ферм — навоза КРС, свиней, куриного помета, а также деревообрабатывающей промышленности и других производств в плане возможного их использования для улучшения качества почвы.

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 и проявляющих 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, формирующие впоследствии сложный компост. При комплексном образовании сложный компост способен существенно улучшить физические, химические и биологические свойства верхнего слоя почвы через его обогащение питательными веществами и коллоидными агрегатами.

Сельскохозяйственные отходы включают все виды и формы навоза — твердый и жидкий (КРС и свиней, куриный помет) и остатки растениеводческой продукции (солома зерновых, стебли кукурузы, шляпки подсолнечника, листья и отходы сахарной свёклы 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.

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, одноклеточных водорослей, а также многочисленных представителей микрои мезофауны.

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 соединения 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.

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, являются 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 растворимые минеральные соединения, быстро высвобождающие для развития живых организмов в больших количествах питательные вещества (Ca, S, Р и др.).

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 соотношение 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 организмами. Такие участки, накапливающие бактерии и грибы, водоросли и животных разных фаз разложения, включая семена, споры и гифы грибов, становятся весьма привлекательным энергетически емким субстратом для живых организмов, формируя участки микробной биомассы с высокой биологической активностью.

Гранулометрические фракции минеральных отходов различаются по емкости катионного обмена и его потенциальной активности формировать органоминеральные комплексы. Содержание в них водорастворимых соединений является важнейшим показателем их биологической доступности, с одной стороны, и способности длительно поддерживать определенную устойчивость субстрата, защищающая 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, функциональной устойчивости физических и биологических характеристик они являются в самом широком смысле 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 их 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.

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, то они активнее поддаются физической и химической стабилизации.

Важнейшей основой стабилизации органического вещества в сложном компосте является агрегирование его частиц. Основным объектом аккумуляции органического углерода и азота являются микроагрегаты, представляющие вторичные комплексы минеральных коллоидов с органическими частицами отходов. Микроагрегаты формируются в процессе перестройки органических частиц и их осаждения на коллоидах минеральных отходов. Предстоит еще немало выяснить в отношении механизма агрегирования в сложном компосте как минеральных, так и органических отходов. Ядром формирующихся агрегатов при комбинации смешивания 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.

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 веществами) с минеральными микрочастицами, что легко подмечается при увлажнении и перемешивании органических и минеральных веществ. Образование микроагрегатов с участием минеральных веществ наблюдается уже на 2−3-й день после 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 ней 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 в принципе их следует продолжить в перспективе.

Минеральные отходы содержат в разных соотношениях оксиды, составляющие основу земной коры (CaO, Fe2O3, FeO, MgO, TiO2, MnO2, Cr2O3, CuO, SiO2, BaO2), запасы которых в настоящее время в почвах сократились в связи с выносом их с урожаем, выветриванием и выщелачиванием, что, естественно, сказывается на количестве субстрата, а также на количестве и качестве урожая сельскохозяйственных культур. Поступление в почву таких веществ в малых дозах способствует её обогащению и благоприятствует развитию растений и формированию ими качественного урожая. Внесение в почву сложного компоста способствует её обогащению кальцием, магнием, железом, цинком, серой и другими элементами, используемыми растениями.

С внесением сложного компоста в почве повышается содержание минеральных коллоидов, усиливается их агрегирование, улучшается аэрация, больше накапливается 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.

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.

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 превращении 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 усилением усиливающегося уничтожения лесов, гибели лесных посадок, непродуманного использования земель и т. д.

Современное состояние 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 мало подобные естественные образования, выполняющие в основном функцию производства продукции сельскохозяйственных растений, но потерявшие многие другие функции, свойственные в прошлом естественной почве. Техногенная почва нарушает многие отношения между составляющими биосферы. В первую очередь это касается сокращения видового многообразия, упрощения экологических связей, резкого сокращения пищевых сетей и т. д. В такой ситуации почва находится под постоянным давлением, прежде всего атмосферного загрязнения тяжелыми металлами, пестицидами, нефтью, внесением удобрений (минеральных и органических), размещения твердых и жидких отходов, трансграничных переносов и другими характеристиками.

Сельское хозяйство использует почву как субстрат для получения урожая через внесение минеральных удобрений, а также заметно ограничивает её экологическую функцию в биосфере, нарушая растительный покров, снижая содержание гумуса, существенно загрязняя пестицидами, тяжелыми металлами, нефтью и другими веществами. Обращается слабое внимание на изменение экологических функций почв, и эта проблема изучается недостаточно.

В нашем крае сравнительно небольшая площадь природных угодий имеет ненарушенный почвенный покров, а основная часть её 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 биологического, химического и физического разнообразия. Заметно сокращается влияние почвы на другие составляющие биосферы и прежде всего — на их водную составляющую. Газовые функции почвы, включающие образование аммиака, метана, углекислого газа и других выделений, усиливают парниковый эффект и приводят к постепенному изменению климата планеты.

Эволюция почвенного покрова проходит в сочетании согласованности жизнедеятельности растений и животных, автотрофов и гетеротрофов, бактерий, грибов, актиномицетов и водорослей, что обеспечивает благоприятное соотношение между множеством физических и химических свойств почв и живыми организмами. С некоторых пор, но особенно в ХХ веке, наблюдается резкое нарушение сложившегося процесса общего развития почвенного покрова в целом биосферы и наметились угрожающие тенденции снижения разнообразия как живых организмов, так и свойств самих почв (физических, химических и биологических) из-за очень сильного вмешательства человека во взаимодействия различных составляющих природы: все меньше остается почв в истинном понимании этого слова и все больше возникает почвоподобных образований с новыми свойствами и качествами субстратов. Такое положение вызвано двумя причинами: 1) деградацией 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 ежегодного урожая 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.

Именно проблема поддержания плодородия почв и ставит задачу сохранения почвенного разнообразия, включая структуру почвенного покрова, сохранение их 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 бытовых отходов, жизнедеятельности растений и животных, и другим функциям. Преобразование различных отходов, образовавшихся не только при функционировании животных и растений, а, в первую очередь, промышленности и быта, следует рассматривать как серьезную задачу, требующую их решения на биосферном уровне.

Масса самых разнообразных отходов — химических, металлургических, животноводческих, бытовых и других — покрывают земельные площади старны и края. Как с ними поступать? Исследования, которые предприняты в Кубанском государственном аграрном университете, показывают, что эту проблему можно и нужно решать, но не по отдельности использовать различные отходы, а в системе сложных компостов, подбирая подходящие по составу компоненты — по физическим и химическим свойствам. Правильное соотношение отходов ускоряет время созревания сложного компоста, дает возможность создавать разнообразные по своим свойствам сложные смеси, разрабатывать нормы их внесения и решать другие практические задачи. Оплачивать работу подобного рода по использованию отходов должны те компании, которые их создают, загрязняя в самом широком смысле окружающую среду, ухудшая её 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 почв.

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 первом этапе организации не проявляет определенных экологических функций. После смешивания разных отходов, которые по своему составу в начале своего развития бесструктурны, но наличие в них органических веществ в скором времени вызывает образование новых органоминеральных агрегатов, являющихся результатом взаимодействия минеральных и органических соединений различных компонентов.

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 в силу различий их видового состава живых организмов. В целом формирование сложных компостов во всех угодьях имеет общие принципы (множественность видов отходов), а основное отличие определяет соотношение их составляющих.

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 количественное многообразие смеси. Органическое вещество сложного компоста влияет на водный и воздушный режимы и развитие в нём 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, способствовало снижению плотности его сложения и повышению 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 опытном — 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. 1).

Табл. 1. Плотность сложения и удельный объем пор чернозема обыкновенного.

Почва контрольного участка была уплотнена сильнее: значение плотности находилось на границе максимального диапазона для культуры и образующиеся корнеплоды 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 культуры в 2008 г. достигла на контрольном участке 410,2, и на опытном — 450,5 т/га.

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 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 обеспечивающую 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 их объемное распространение в почве. Для четвертого года исследований последействие сложного компоста также сказалось на изменении плотности сложения и удельного объема пор почвы. Различия по вариантам по плотности почвы (г/см3) были статистически значимы для всего периода исследований.

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 компонент, вносимый в верхний слой почвы. Разнообразие сложных компостов связано с их компановкой из различных отходов, их соотношением, а также сложностью строения используемого каждым производством сырья. Сложный компост можно рассматривать как будущее комплексное удобрение, дублирующее его состав и свойства — абиотические (гранулометрический и валовый состав, оводненность, агрегирование, воздушный режим, содержание питательных веществ) и биотические (бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли, микрои 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 соотносилось с использованием отходов в основном крупного рогатого скота и лошадей с целью внесения органического вещества на пашне [28]. 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, заброшены производства по этому направлению и его использование 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 действительно смешанных удобрений или сложных компостов.

Все сельскохозяйственные почвы имеют пониженные экологические функции и прежде всего 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.

Сложные компосты по нашему мнению, при правильной их заготовке, являются самостоятельным почвоподобным образованием, создаваемым человеком в поддержку естественных законов природы — защитить и сохранить плодородие почвы. Развитие этого направления станет возможным в случае признания в земледелии и прикладной экологии научного и практического значения сложных компостов на основе подготовки их по составу отходов, формированию химического и физического многообразия субстрата, способного расширить возможности улучшения самой почвы и создания на этой основе новых экологических ниш [23, 24, 25]. Сложный компост представляет собой смесь разнообразных органических и минеральных отходов, пригодных для формирования специфической среды их физического, химического и биологического взаимодействия, а также выделение на их основе развития новых направлений в теоретическом и практическом плане исследований в агрономической науке [21, 22, 26].

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 эже 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 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 (микрои мезофауны) при постоянном влиянии на эти взаимоотношения физических и других процессов через солнечную радиацию, испарение, увлажнение, температуру, ветер и другие факторы.

Сложный компост отражает экологический характер физического и химического состава конкретной природно-климатической зоны, специфики использования тепла, осадков, испарения и выделяется своими минеральными и органическими свойствами. Структура сложного компоста определяется особенностями развития верхнего слоя почвы в зависимости от её неоднородности и геоморфологического состава и строения. Сложный компост можно считать выделяющимся самостоятельностью своего развития и в то же время, в последствии, соподчиненностью в развитии с основными составляющими почвенного покрова, в этом суть его поведения и развития как структурного образования.

Сложный компост объективно отличается весьма оригинальным органоминеральным составом, отличным от отдельных его составляющих, и без конкретной характеристики его агрономической 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, представляющая совокупность всех разнообразных составляющих, включает конкретный физико-химический состав, подчиняющийся определенному механизму взаимосвязей и взаиморегулирования с верхним слоем почвы. 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 в основном отсутствуют у составляющих его отходов.

При внесении в почву, минеральные коллоиды отходов взаимодействуют с органическими коллоидами почвы и формируют органоминеральные комплексы, которые закрепляются в виде пленок-гелей на поверхности частиц ила и мелкой пыли. Если пылеватые частицы ила в сложном компосте вступают в контакт 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 оструктуреванию (табл. 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 почвенных слоях опытного участка с внесением сложного компоста коэффициент структурности существенно выше контроля.

Табл. 2. Результаты агрегатного анализа почвы.

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. При составлении сложного компоста учитываются химические свойства полученных смесей, заметно влияющих на структуру их связей и физические характеристики. Структура сложного компоста, с одной стороны, отличается автономностью и устойчивой способностью к возникновению новых свойств и вместе с этим развитием новых качеств (значительное изменение органического вещества, рН раствора, водоудерживающая способность 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 характера поведения 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.

Составляемый сложный компост отличается определенными физическими свойствами, которые не всегда соответствуют почвенным условиям, для которых он формируется в результате смешивания органических и минеральных отходов. Основа сложного компоста — это достаточно сложная 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 экологических ниш). С течением времени (3−5 мес.) в сложном компосте в теплый период образуются чередующиеся и генетически связанные между собой различные группы микрои 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 и в многосторонние связи. В отдельных структурах может преобладать односторонняя связь под преимущественным влиянием какого-то одного компонента, в котором идет преобразование из неоднородного первоначального состава и комплексность его сложного компоста проявляется в основном для степной зоны края, где из-за недостатка тепла и влаги и в зависимости от рельефа и сезона 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 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.

Важной спецификой многих отходов, особенно сельскохозяйственного производства, является значительная емкость их катионного обмена (ЕКО), зависящая от строения и гранулометрического состава субстрата (табл. 3).

Табл. 3. Доля илистой фракции и уровень ЕКО в некоторых отходах производства.

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 мм до 0,001 мм составляют её илистую фракцию, а менее 0,25 мкм — относятся к коллоидам. Коллоиды и ил определяют важнейшие физические свойства почвы — твердость, способность к набуханию, липкость, поглотительная способность. Такие же физические свойства характерны и для сложного компоста, который приобретает их в отличие от почвы постепенно.

Органические коллоиды в почве образуются в процессе разложения растений и животных и потому в верхнем слое их больше и составлены они гуминовыми кислотами, фульвокислотами, лигнином, 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 — бора, цинка, кобальта, меди. В черноземе обыкновенном уровень ЕКО доходит до 70−80 мг-экв./100г, что указывает на весьма благоприятный состав его основных составляющих ППК.

Уровень сложности компостов следует иметь в виду при учете состава севооборота, проектировании мелиорации почв (рН, валовый состав, обеспеченность питательными веществами), проблеме 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 её коллоидного состава, катионного обмена, его устойчивости, изменения рН солевой вытяжки и т. д. Использование сложного компоста способствует снижению потерь в органических веществах и в содержании органического азота.

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 бесполезные 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. 4).

Табл. 4. Влияние сложного компоста на потери азота и органического вещества в полуперепревшем навозе (% на сухое вещество).

гетерогенность компост гранулометрический органический 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 будет сохранено в компосте сульфата аммония примерно 10−12 мг-экв./100 г субстрата или 100−120 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, плохо пропускает через себя фосфогипс 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.

Внесение сложного компоста и его заделка в верхний слой почвы способствует улучшению гранулометрического состава, её гумусированности, накоплению влаги, а также выравниванию в верхнем слое 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 свёклу разница в прибавке урожая составила до 60 ц/га, а у озимой пшеницы — только 6−7 и реже до 12 ц/га.

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 её 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 нуждаются в разработке технологий с применением сложного компоста, что приведет к повышению и плодородия полей, и урожайности культур, и улучшению качества получаемого урожая.

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 при его внесении в верхний слой и повышения продуктивности сельхозкультур. 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 равномерный качественный его состав. Большую роль в формировании компоста играют сами отходы, а их соотношение определяет разнообразие формирования субстрата и сроки его готовности для использования в качестве мелиоранта.