Ґрунтоутворення та штучний біогеоценоз

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ґрунтоутворення та штучний біогеоценоз

Для запобігання процесу злежування добрив їх обробляють розчином полімеру, що складається з акрилсульфату, Х-олефін-сульфонату, алкилбензосульфонату [128]. З метою поліпшення властивостей добрив, пов'язаних зі зберіганням і транспортуванням, використовують катіоновий поліуретансемікарбазид, поліетилен [129--131]. У разі потреби в покриття можна вносити різні домішки: змочувальні агенти, пластифікатори, пестициди, гербіциди, мікроелементи, інгібітори нітрифікації [114, 132].

Тепер дуже поширені добрива, оклюдовані клеолом, колодієм, фурапластом [133]. Такі добрива дають змогу майже вдвічі знизити злежуваність, підвищити коефіцієнт використання азоту. Впровадження оклюдованих добрив не потребує нових технологій, а їх екологічна чистота уможливлює використання гранул безпосередньо біля водних джерел [130].

Внесення поліалкілсилоксанів при виробництві азотних добрив дає можливість захистити навколишнє середовище від накопичення токсичних сполук азоту в ґрунтах, водах і рослинах. Крім того, кремнієорганічні сполуки, що містять біофільні елементи, позитивно впливають на ріст і розвиток рослин. Збалансоване надходження елементів живлення і поліпшення процесу синтезу органічних азотних сполук знижують накопичення нітратів у рослинах [134, 135].

Розроблено нові комплексні добрива пінного типу, до складу яких входять органічні кислоти, зокрема бурштинова кислота [136].

Для формування штучних біогеоценозів доцільно також використовувати органічні добрива, які крім біологічно активних сполук містять усі необхідні для росту і розвитку рослин макро- і мікроелементи. Під їх впливом поліпшуються фізичні властивості ґрунту, його водний і повітряний режим, зменшується негативний вплив кислотності та високої концентрації солей на ріст рослин і життєдіяльність сапрофітної мікробіоти. Усе це сприяє підтримці на високому рівні потенційної родючості природних ґрунтів [141 -- 152] і дає змогу надати інертним замінникам ґрунту певних біологічних властивостей.

Усі джерела органічних речовин є органічними добривами. Це торф, сидерати, солома, рештки деревини, побутові і промислові відходи, осади стічних вод, сапропелі, річковий та озерний мул, залишки рослинництва і тваринництва, органічна сировина, перероблена за допомогою земляних або гнойових хробаків [137-140].

До органічних решток тваринництва рекомендують додавати речовини з адсорбційною та іонообмінною здатністю: мул, торф, глину [156], тирсу, подрібнену кору [153], буре вугілля, солому [157], цеоліти [158], золу [159], шлами, лігнін [160], гіпс [161]. При цьому відбувається фізико-хімічне зв'язування азотних сполук органічних речовин і створюються необхідні умови для розвитку мікроорганізмів. Внесення органічних добрив поєднують із хімічними меліорантами -- вапном, доломітовою мукою, гіпсом, фосфогіпсом [137]. Слід зауважити, що впровадження рідких органічних добрив потребує особливих заходів, що передбачають охорону навколишнього середовища від забруднення [162, 163].

У рослинництві переважно використовують відходи тваринницьких виробництв у вигляді рідких органічних добрив [164, 165] або різноманітні компости [153, 155, 158, 166--168]. Крім гною великої рогатої худоби застосовують залишки свинарських комплексів [169, 170], овечий гній [160], гній хутрових звірів. Нині у сільському господарстві широко використовують компости, основою яких є: свинячий гній і калієзаміщений цеоліт [158]; рідкий гній великої рогатої худоби і негашене вапно [170, 1711, гній і суміш торфу, подрібненої кори, побутових відходів [153]; ГНІЙ і гідроксиди лужних металів |172, 173]; рідкий гній і фосфоровмісний шлак і гіпсом |І61|; гній, пір'я свійської птиці, торф і промислові відходи [154]; осад господарсько-промислових СТОКІВ і ПІДСТИЛКОВИЙ гній |174|; смола і гноївка [157|; зола і гній [159]; (>е (підстилковий гній, торф, вапно і суперфосфат [155]; гній і міське сміття |175|; овечий гній, природний фосфат, лігнін, гіпс, перліт і доломіт 1160].

У практиці світового птахівництва застосовують різні способи підготування пташиного посліду: компостування, обробка хімікатами для закріплення азоту і ліквідації неприємного запаху, термічна сушка [176].

Найраціональніше використання посліду -- це компостування його з торфокрихтою [177--182], листям [178], деревною корою і тирсою [183, 184], деревним вугіллям і золою [185--187], соломою [181], цеолітом [185, 186, 188], лігніном [189, 190], кістковим борошном [191], рештками рослинної і кісткової олії, риб'ячого жиру [192, 193], силосним соком [194], побутовими відходами [195], рідкою карбамідформальдегідною піною [196], плодами різних рослин [196, 197].

При аеробній ферментації пташиного посліду з метою зниження втрат азоту до компосту додають фосфорну, сірчану і соляну кислоти та їх солі, суперфосфат, солі кальцію і магнію, цеоліт, базальт, торф [198].

Для запобігання накопиченню в органічних добривах токсичних сполук і активізації біохімічних процесів проводять озонову обробку [199].

Торф використовують як основу для виготовлення органічних і органо-мінеральних добрив. Вихідна сировина для одержання гранульованого компосту -- торф, листя, деревна кора [200], цеоліти |2()1|, иуглеамонійні солі [202], мінеральні добрива [203], буре вугілля, лігнін |204|. Торф широко застосовують як адсорбент 12051 і структуроутворювач ґрунту [206].

Розроблено технологічний процес промислового виробництва органо-мінеральних добрив із використанням торфу і напіврідкого гною тваринницьких комплексів 1207--212].

Потребу ґрунтів в органічних речовинах можна задовольнити також залученням у землеробство різних матеріалів: дефекату цукрових заводів, лігніну, шламу біохімічних підприємств і очисних споруд міст, мулових відкладень водойм. Технологічні принципи підготування і використання органічних добрив і матеріалів на їх основі передбачають оптимізацію складу і властивостей отриманих добрив [213--216].

Добрива на основі гідролізного лігніну збільшують у ґрунті вміст вуглецю [217--220], посилюють процес нітрифікації [221], підвищують рухливість біогенних елементів [222, 223], сприяють метаболічній активності мікроорганізмів [224--228].

При компостуванні лігніну відбувається його деструкція, а продукти розкладання, що утворюються, зокрема ароматичні сполуки, трансформуються в жирні кислоти або вступають у реакцію з азотистими сполуками і надалі перетворюються на гумусові речовини. Цим і пояснюється поступова детоксикація продуктів у процесі ферментації лігніну [229].

Добрива, що містять лігнін, отримують при змішуванні лігніну з фосфорною рудою |230|, карбонатом і гноєм |23І], целюлозою, цукрозою, крохмалем, желатином, амінокислотами, жирами, глиною, гуміновими кислотами |232|, солями карбонових кислот, мінеральними добривами 1233, 234|, сечовиною та акрилонітрилом |235].

Лігносульфати використовують для синтезу полімерної основи при одержанні різних мікродобрив пролонгованої дії [236-- 238].

Сапропелі придатні для впровадження як органічні добрива, а також вапнякові матеріали для кислих ґрунтів [239]. Вони різняться за фізичними, хімічними властивостями і поживною цінністю [240--250]. За хімічним складом їх підрозділяють на органічні, карбонатні, кремнеземні й змішані [251]. Внесення сапропелевої пульпи в ґрунт у посушливі періоди сприяє акумуляції й утриманню вологи [252--254].

Наведені в літературі відомості про отримання і застосування добрив пролонгованої дії засвідчують відсутність даних щодо розробки органо-мінеральних добрив із заданими властивостями і структурою, а також технології їх використання на ґрунтозамін-никах різної природи. Не досліджувався і вплив органо-мінеральних добрив на рухливість біогенних елементів, доступність їх для рослин залежно від агрофізичних характеристик субстратів.

Слід зауважити, що комплексне вивчення хімічного складу волокнистих субстратів з детальним аналізом еколого-фізіоло-гічних і біохімічних реакцій рослинних організмів на умови зовнішнього середовища забезпечує формування механізмів керування ростом і розвитком рослин у цільовому просторі штучного біогеоценозу. Серед хімічних елементів, що визначають продуктивність рослин і якість врожаю, найбільший інтерес зумовлює кремній. З урахуванням цього особливої актуальності набувають дослідження, пов'язані з удосконалюванням складу і створенням добрив пролонгованої дії і додатковим внесенням нових компонентів, зокрема кремнію, значення якого в життєдіяльності рослин потребує окремого розгляду.

Кремній є одним з елементів, що відіграють важливу біоло-гічну роль у житті рослин, тварин і людини |255--257]. Сполуки кремнію дуже поширені в природі і становлять 26 % земної кори |258|. Вміст кремнію в рослинах варіює в діапазоні 1--2 %, у золі -- 20--91 % [259, 260]. Результати дослідів з міченими радіоактивними ізотопами ^3|8і показали, що цей елемент легко поглинається коренями, потім переміщується в листки і не виділяється в живильний розчин. У коренях рослин він накопичується рівномірно в усіх тканинах, у листках -- в епідермальних тканинах під кутикулою. Цим зумовлено, очевидно, зниження транспіраційного коефіцієнта в рослинах при внесенні кремнію |261, 262].

З погляду агрохімії особливого значення набуває аналіз вивчення впливу кремнію на фосфатний режим ґрунту і надходження фосфору в рослину. За літературними даними, він збільшує рухливість фосфору в ґрунті, підвищує розчинність добрив, що містять зв'язані сполуки фосфору [263], тому можливість зменшення кількості фосфорних добрив унаслідок внесення сполук кремнію становить певний інтерес і набуває важливого значення саме зараз, коли виробництво фосфорних добрив починає скорочуватися через нестачу сировини [264].

Причину здатності кремнію зменшувати фіксацію фосфору ґрунтом одні дослідники вбачають у тому, що гідрогель 8і0₂ адсорбує іони фосфору і тим самим перешкоджає хімічному зв'язуванню фосфат-іонів. Інші пояснюють це фізіологічними причинами: кремнієва кислота сприяє проникненню фосфат-іона в корені рослин. Поширена думка, що основною причиною посилення рухливості фосфатів ґрунту під впливом сполук кремнію є обмін силікатного іона на фосфорний. Деякі автори вважають, що при внесенні в ґрунт сполук кремнію утворюються доступні для рослин силікофосфати, природа яких ще мало вивчена [265-268].

Можливо, позитивна дія кремнієвої кислоти зумовлена поліпшенням структури ґрунтових пор, активізацією мікробіологічної діяльності [269, 270], підвищенням стійкості рослин до абіотичних стресів і посиленням споживання води внаслідок збільшення концентрації 8Ю₂ у тканинах рослин [271--273]. Незважаючи на те що відомості про фізіологічну роль кремнію недостатні, багато дослідників вже не вважають його лише баластною речовиною рослин. Не виключено, що кремній виконує певну фізіологічну функцію, значення якої може зростати за несприятливих умов зовнішнього середовища [274]. Проте ще невідомо, чи входить кремній до складу ферментів. Є багато даних щодо його позитивного впливу на засвоєння рослинами ґрунтових фосфатів. Цілком ймовірно, що при цьому поліпшується енергетичний обмін рослин, а це зумовлює посилення росту, збільшення площі листків і підвищення синтезувальної діяльності кореневої системи, внаслідок чого збільшується її робоча ад-сорбівна поверхня [274, 275]. Наявність кремнезему в клітинних стінках рослин поліпшує їх міцність [276], стійкість рослин до полягання, посилює морозостійкість, перешкоджає проникненню інфекції [277|, збільшує фотосинтетичну активність, що засвідчує активну участь цього елемента в метаболічних процесах. Останнє підтверджує наявність кремнію в таких фізіологічно активних сполуках, як нуклеїнові кислоти [278]. Також він позитивно впливає на стійкість рослин до засолення [279], пом'якшує токсичну дію мангану. Додавання кремнію в живильний розчин значно підвищує врожайність культур, особливо зернових і трав.

Кремній стимулює засвоєння азоту рослинами [280, 281], але за надлишку азоту в ґрунті і високих температур він може гальмувати азотний обмін. З урахуванням цього на виноградниках кремнієві добрива застосовують для гальмування росту пагонів при надлишку азоту в ґрунті [282]. Обробка виноградників біологічно активними сполуками кремнію сприяє захисту насаджень від збудників хвороби. При застосуванні цього елемента значно посилюється роль бору в ґрунті, знижується токсична дія заліза.

Більша частина кремнію для рослин недоступна. Це стосується кремнію, який входить до складу кристалічних мінералів, насамперед кварцу, розчинність якого у воді дуже низька. К-№-польові шпати також стійкі до розчинення; менш стабільні Са-польові шпати. Шаруваті алюмосилікати легше розчиняються, ніж польові шпати. Серед алюмосилікатів більш стабільним є каолініт. Доступні рослинам водо-, цитрато- і фосфаторозчинні сполуки кремнію [283]. Наявність водорозчинного кремнію залежить не лише від кислотності, а й від кількості органічної речовини її ґрунті [284]. До складу верхніх горизонтів деяких ґрунтів, що містять гумус, входить менше розчинного кремнезему, ніж до складу тих, що залягають нижче. Причина низького вмісту рухливого кремнію в цих горизонтах полягає у тому, що органічнії речовини стримує його адсорбцію з води і захищає грунтові силікати від розчинення 1285, 286].

Для усунення нестачі кремнію застосовують добрива, кращим ІЗ яких, особливо для кислих грунтів, є силікат кальцію. У кислі (рІІ 5,5 6,5) алітні тропічні ґрунти Гавайських островів (США) вносять силікат кальцію. У Південному Китаї рис удобрюють метасилікатом кальцію (воластонітом) [287]. На о-ві Маврикій у ґрунт вносять подрібнений порошок базальту (24 % 8і).

Також досліджують можливість застосування відходів сільського господарства і промисловості, які містять кремній. На о-ві Мадагаскар ґрунт удобрюють лузгою рису [283], в Японії для поповнення ресурсів кремнію вносять як його лузгу, так і солому. Органогенний кремнезем, переважно у формі гелю, легко засвоюється рослинами [288].

В індустріально розвинених країнах все більше уваги приділяють промисловим відходам, що містять кремній, особливо металургійним шлакам. З кінця 1960-х років в Японії під рис вносять силікатні відходи промисловості. У Німеччині використовують силікокальцієві шлаки (14 % 8і) як джерело кремнію для торфянистих ґрунтів. У Шрі-Ланці на піщаних і кислих ґрунтах на латеритах застосовують металургійні шлаки, що містять 9,3 і 12 % 8і. На Гавайських островах на феролітних ґрунтах використовують шлаки, до складу яких входять доменний (16,3 % 8і) і основний (16,6 % 8і) силікат кальцію, а також силікат кальцію електропечей (18,4 % 8і). Розроблено технологію безвідхідної переробки синниритів з одержанням метасилікату калію, а також глинозему і поташу [289] Проведений літературний аналіз засвідчує доцільність внесення сполук кремнію до складу інертних ґрунтозамінників з метою стабілізації хімічного балансу і активації біологічних процесів.

За останні десятиліття інтенсивного розвитку набувають дослідження в галузі фітобіології -- науки, що вивчає ріст і розвиток рослинних організмів під дією стрес-факторів, насамперед невагомості, і має величезне теоретичне і практичне значення, оскільки рослини -- регенеранти кисню, води і джерело незамінних для людини речовин -- це необхідні компоненти екологічних систем життєзабезпечення людини в замкнутому просторі. Створення автотрофної ланки в таких модельних екосистемах і прогнозування надійності її функціонування при довготривалому перебуванні людини в гермооб'ємі неможливе без глибоких знань про ступінь і направленість дії стрес-факторів на життєздатність вищих рослин.

Вивчення особливостей росту і розвитку рослин у штучних екосистемах дало можливість удосконалити методологічне і технічне оснащення біологічних експериментів. Створено спеціалізовані культивари, термостати, устрої для фіксування, які дали змогу керувати параметрами зовнішнього середовища, зокрема, температурою, освітленням, водозабезпеченням [290]. Із залученням морфолого-анатомічних, фізіологічних, біохімічних, біофізичних, цитогенетичних і генетичних методів дослідження була доведена доцільність використання електронно-мікроскопічного методу для оцінки впливу факторів зовнішнього середовища на функціонування рослинних організмів [291].

Власне, комплексні дослідження різних за ступенем складності організмів, які знаходились у активному фізіологічному стані в умовах гермооб'єму, уможливили відкриття різносторон-ньої дії стрес-факторів, у тім числі й мікрогравітації, на життєдіяльність і розвиток живих систем. У серії космічних і лабораторних експериментів, які моделюють тією чи іншою мірою вплив окремих факторів орбітального польоту, показано характер змін, що відбуваються у різних об'єктів під впливом фізичних стрес-факторів залежно від природи і терміну дії фактора, ступеня складності й фізіологічного стану рослин.

Починаючи з 1960 р. експерименти з нижчими і вищими рослинами проводили у Радянському Союзі на штучних супутниках Землі, космічних кораблях одноразового використання "Вос-ток", "Восход", "Зонд", "Союз", біосупутниках серії "Космос" і орбітальних станціях (ОС) "Салют" і "Мир"; в СІЛА -- на космічних кораблях одноразового використання "Діскаверер", "Біосателіт-П", "Скайлеб-3 і -4", "Аполлон" і на космічних кораблях багаторазового ви користання "ПІаттл". Космічні експерименти супроводжувалися синхронними наземними контролями. Функціонування з 1970 р. орбітальних станцій "Салют", пізніше -- "Мир" надало унікальну можливість для проведення фундаментальних досліджень росту, розвитку і метаболізму живих організмів в умовах штучних екосистем за тривалої дії мікрогравітації.

Для вирощування рослин в умовах космічного польоту використовували: інокуляційно-фіксуючі системи (ІФС-1, ІФС-2), здебільшого для водоростей, мохів, папоротей; для покритонасінних -- культивари різного типу, у тім числі "Оазис", "Малахіт", "Світлоблок", "Фітон"; термостати серії "Біотерм", "ТС-ТАУ" і пристроями різної конструкції для хімічної фіксації біологічних об'єктів в умовах невагомості [290, 292--296]. біогеоценоз добриво рослина

Розробка структурно-функціональних основ штучних біогеоценозів неможлива без визначення оптимальних умов для росту і розвитку рослин. Одним із найефективніших шляхів удосконалення умов вирощування різних видів на інертних субстратах є створення автоматизованих екосистем, які включають рослими і технічні засоби одержання інформації щодо інтенсивності протікання в них еколого-фізіологічних і біохімічних процесів. Ця інформація дає змогу визначити функціональний стан рослин під впливом факторів зовнішнього середовища і може використовуватись для ідентифікації та встановлення оптимальних механізмів управління фізичними, хімічними і біологічними властивостями грунтозамінників.

Слід зазначити, що в дослідженні функціонального стану рослини до цього часу склалася парадоксальна ситуація: за достатньої кількості відомостей про первинні процеси обміну речовин [371--378] і розвиненої теорії продукційного процесу 1379--382] життєдіяльність цілісної рослини описана неповно 1383--387]. Математичне моделювання рослинних екосистем розвивається в декількох напрямах емпіричного і теоретичного моделювання, які істотно різняться. Перший полягає у визначенні кореляційних емпіричних зв'язків між параметрами зовнішнього середовища (метеорологічними, гідрологічними, агрономічними тощо) і продуктивністю. Математичною основою емпіричних моделей є статистичні методи -- кореляційний і регресивний аналіз, теорія випадкових функцій, планування експерименту. На жаль, вони не розкривають повною мірою суть процесів, які покладено в основу життєдіяльності, в тім числі визначення поточних параметрів стану рослин та їх взаємозв'язку і процесами формування врожаю.

Другий напрям охоплює моделювання найважливіших фізіологічних процесів формування продуктивності рослин, кількісний опис їх за допомогою формул, алгоритмів, диференцій-пих рівняні.. Цінність теоретичних моделей насамперед пізнавальна, тому що вони дають змогу виявити деякі фізичні закономірності, що покладено в основу фізіологічних процесів. Розвиток і удосконалення цього напряму відбувається в результаті створення окремих моделей для опису вегетаційного циклу і урахуванням специфіки росту і розвитку конкретних видів рослин.

Размещено на Allbest.ru