Сложный компост и круговорот азота и углерода в агроландшафтных системах

2

Научный журнал КубГАУ, №97(03), 2014 года

Размещено на http://www.allbest.ru/

http://ej.kubagro.ru/2014/03/pdf/60.pdf

ФГБОУ «Кубанский государственный аграрный университет»

СЛОЖНЫЙ КОМПОСТ И КРУГОВОРОТ АЗОТА И УГЛЕРОДА В АГРОЛАНДШАФТНЫХ СИСТЕМАХ

Белюченко Иван Степанович

д.б.н., профессор

Краснодар, Россия

Сложный компост включает все элементы таблицы Менделеева и потому ценен комплексностью своей системы. Среди элементов, формирующих химический состав сложного компоста, можно выделить два наиважнейших, отличающихся своеобразием характера взаимодействия друг с другом и определяющих основные процессы обеспечения вегетации живых систем, - это азот и углерод. Азот определяет скорость энергообмена и связан с живыми формами органической материи, входит в состав белков и является основным элементом, определяющим продуктивность экосистем. В круговороте углерода принимают участие его органические формы и углекислый газ, представляя основные факторы процессов дыхания и фотосинтеза

Ключевые слова: КРУГОВОРОТ АЗОТА, ВОССТАНОВЛЕНИЕ И ОКИСЛЕНИЕ УГЛЕРОДА, КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА, СООТНОШЕНИЕ УГЛЕРОДА К АЗОТУ И ФОСФОРУ, БИОЛОГИЧЕСКИЙ АЗОТ, АВТОТРОФЫ И ГЕТЕРОТРОФЫ, ДЕНИТРИФИКАЦИЯ

Использование сложного компоста под посев сельскохозяйственных культур в расчете 65 т/га общей смеси различных отходов оказывает существенное влияние на физические, химические и биологические свойства верхнего слоя почвы и отражает заметную реакцию на развитие (включая продолжительность вегетации), урожайность и качество продукции изучаемых растений в севообороте в течение 5-6 лет вегетации. Например, посев озимой пшеницы в наших опытах в ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района [1] удлинило период вегетации травостоя при недостатке влаги на 7-8 дней, а при достаточном увлажнении - до 10-15 дней, что существенно влияет на урожайность пшеницы и повышает качество её зерна, которое выражается в концентрации органических веществ включая количество белка (на 1,3-2,0%) и его качество, клейковину (на 3,0-4,0%), полезные аминокислоты, провитамин А, витамины группы В, растворимые полисахариды, улучшающие работу кишечника, биотин (витамин Н), укрепляющий иммунную систему организма, а также клетчатки, содержащей растворимое волокно (бетаглюкан), благоприятствующей снижению в крови концентрации холестерина, и минеральных элементов - кальция, марганца, серы, железа, калия, цинка, йода [31, 36, 37].

Указанные особенности реакции 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, ряда микроэлементов, влияет благоприятно на развитие посевов, усиливая образование придаточных корней, кущение побегов от начального периода вегетации растений и до их созревания.

Весьма рационально расходуются запасные вещества высеянных семян в варианте со сложным компостом (на 25% экономнее, в варианте с перегноем, и на 45% - по сравнению с водой). Масса оставшегося семени 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 [1].

С целью изучения влияния отдельных сред на прорастание семена озимой пшеницы замачивали на 4-5 мин в дистиллированной воде, а затем обваливали в почве, перегное, фосфогипсе и их смеси 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 общую массу, 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 на смеси - 46% [1, 2, 4, 5].

Фосфогипс удлиняет период развития растений до кущения за счет усиленного развития корней, а затем и кущения, и формирования дополнительных придаточных побегов, а затем и генеративной фазы. Кущение растений пшеницы было интенсивное в разреженном посеве (3 млн/га) на 20% по сравнению с загущенным (5 млн/га), а число придаточных корней - на 30,5%. Сложный компост оказал заметное влияние на химический состав зерна озимой пшеницы (табл. 1).

сложный компост пшеница сельскохозяйственный

Таблица 1

Влияние сложного компоста на качество 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 влияния на урожайность и его качество не оказало. Весьма заметно повышалось содержание органических веществ в зерне пшеницы. В варианте со сложным компостом качество зерна пшеницы было существенно лучше, чем на контроле, например, за счет содержания фосфора, кальция, серы, нитратов, аммония. Весьма заметно повысилось содержание органических веществ в зерне пшеницы [8, 9].

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 все элементы таблицы Д.И. Менделеева, и их участие в создании комплексной системы архиважно. Однако среди очень важных элементов 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 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 [7].

Углерод и его роль в развитии Земли. Углерод в 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 3 элемента - С, Н и О - составляют 98 % общей массы живых организмов. Этим достигается экономичность в живой природе [31, 35].

Согласно гипотезе А.И.Опарина (1924), 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, является двуокись углерода СО₂, находящаяся в атмосфере, а также растворенная в природных водах в виде НСО^-₃ и СО₃^2-. 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 [4].

Содержание углерода в живых организмах в расчете на сухое вещество составляет: 34,5-40 % - у водных растений и животных; 45,4-46,5 % - 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 её представлении, включая весь комплекс биологического обмена веществ. Появлению жизни предшествовало независимое от жизни (абиогенное) образование органических веществ, из которых простейшими являются углеводороды [4, 10]. Водород составляет основу Вселенной и количественно преобладает над всеми вместе взятыми элементами. Живая материя на Земле состоит на 95% из водорода, углерода, азота и кислорода, которые являются самыми распространенными элементами в Космосе [7, 8].

Чрезвычайно важная роль углерода в возникновении жизни на Земле и ее дальнейшем развитии определяется совокупностью его физических и химических свойств, характерных 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 [36, 37].

Следует подчеркнуть, что между атомами углерода и атомами других элементов образуются относительно прочные химические связи, которые могут быть одинарными, двойными и тройными) [37]. 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 специфике взаимоотношений с представителями отдельных групп земных элементов.

Углерод (С) находится в периодической системе Д.М. 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 ¹³С (1,11 %). Помимо стабильных изотопов углерода, в природе распространен радиоактивный изотоп ¹⁴С (Т_1/2=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 [37].

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 [36].

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.

Углерод в таблице Д.И. Менделеева занимает особое место. Конфигурация электронной оболочки атома углерода представляет собой 1s²2s²2p², и в обычном состоянии он имеет на внешнем энергетическом уровне 2 спаренных и 2 неспаренных электрона. С точки зрения энергетики образование связи для легких элементов, когда в атоме два неспаренных электрона участвуют в образовании связи, а электронная пара и вакантная орбиталь остаются незадействованными, исключительно невыгодна.

2

Научный журнал КубГАУ, №97(03), 2014 года

Размещено на http://www.allbest.ru/

http://ej.kubagro.ru/2014/03/pdf/60.pdf

Поэтому атомные орбитали углерода рассматривают с позиции гибридизации. Это происходит следующим образом: атом углерода переходит в возбужденное состояние, и один 2s-электрон занимает вакантную р-орбиталь, т. е. в возбужденном состоянии углерод имеет 4 неспаренных электрона, что позволяет ему в равной степени как притягивать, так и отдавать электроны, и все три р-орбитали расположены взаимно перпендикулярно.

В результате гибридизации с s-орбиталью образуются 4 равноценные sp³-гибридные орбитали, расположенные под углом 109^о друг к другу. Образование связей углерода с другими элементами или с другими углеродными атомами происходит путем перекрывания электронных облаков по оси, соединяющей атомы. Углерод может образовывать между собой двойные и тройные связи. При образовании двойных связей гибридизация имеет sр²-форму, а именно: одна из связей остается -связью, то есть электронные облака перекрываются по оси С-С. Вторая связь, называемая -связью, образуется в плоскости, перпендикулярной плоскости sр²-гибридных облаков, и перекрывание р-облаков происходит под и над этой плоскостью [36, 37].

При образовании тройной связи происходит образование одной -связи sр-гибридных облаков и двух -связей в плоскостях взаимно перпендикулярных, например, ацетилен. В случае, если углерод отдает валентные электроны на образование связей с другими элементами, то возникают аналогичные и -связи, например, в оксосоединениях (альдегиды и кетоны). При этом пары электронов, образующие и -связи, в зависимости от электроотрицательности элементов, смещаются частично в сторону более электроотрицательного элемента, и, чаще всего, атом углерода принимает частичный положительный заряд, а заместитель - частично отрицательный. Заместителями, как правило, могут выступать элементы пятой (N и Р), шестой (О, S) и седьмой групп (галогены).

2

Научный журнал КубГАУ, №97(03), 2014 года

Размещено на http://www.allbest.ru/

http://ej.kubagro.ru/2014/03/pdf/60.pdf

Именно с этой позиции гибридизации рассматривают химические свойства элементов главной подгруппы четвертой группы, а именно: С - углерода, Si - кремния, Ge - германия, Sn - олова и Pb - свинца.

Аналогично углероду, кремний имеет на внешнем энергетическом уровне sp³-гибридные орбитали, но, в отличие от атома углерода, за счет увеличения числа электронных уровней кремний имеет больший радиус атома, а его ядро более экранировано от валентных электронов, которые поэтому, слабее удерживаются на орбиталях. В связи с этим кремний, в отличие от углерода, не образует, например, длинноцепочечных силанов (аналогов предельных углеводородов алканов). При этом связь Si-Si значительно более лабильна, и силаны легко гидролизуются водой и воспламеняются на воздухе, выделяя при этом большое количество тепла. Согласно другой точке зрения, различие свойств кремния и углерода объясняется наличием в атоме кремния вакантных 3d-орбиталей [36, 37].

При взаимодействии с углеродом атом кремния приобретает частичный положительный заряд вследствие своей более низкой электроотрицательности. При взаимодействии кремния с галогенами, водородом, азотом и т.д. образуются очень лабильные связи, которые легко разрушаются, например, водой до Si-О. При этом если в молекуле были углеродные заместители, то происходит полимеризация с образованием полисилоксанов:

,

например, полидиметилсилоксан из громадного числа разнообразных соединений кремния, изучаемых органической химией. При сравнении электронного строения атомов углерода и азота видно, что в атоме азота нет вакантных орбиталей:

Рассмотрим молекулу аммиака NН₃. Ее строение пирамидально: угол между связями Н-N-Н равен 108^о и близок к тетраэдрическому углу связей Н-С-Н в метане. В отличие от атома углерода, атом азота имеет неподеленную пару электронов, которая легко взаимодействует с вакантной орбиталью, например, протона:

NН₃+Н⁺ NН₄

ион аммония

За счет неподеленной электронной пары атом азота вообще склонен к комплексообразованию. По сравнению с атомом углерода азот имеет большую энергию ионизации (11,3 и 14,5 эВ соответственно) и более высокую электроотрицательность (С - 2,5; N - 3,1). Радиус же атома углерода больше (С - 0,062; N - 0,052). Приведенные цифры объясняют существование различий в химических свойствах этих элементов [7].

Возвращаясь к углероду, следует отметить, что химическая активность убывает в ряду: "аморфный" углерод, графит, алмаз. Горение углерода в этом же ряду происходит при температурах 300-500; 600-700 и 850-1000^оС соответственно с образованием двуокиси углерода СО₂ и окиси углерода СО. СО₂ растворяется 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 2000 ^оС. При этом образуются метан СН₄, ацетилен С₂Н₂, а также бензол С₆Н₆ и другие углеводороды. При взаимодействии серы с углеродом при 700-800^оС образуется СS₂ - сероуглерод. Другие сернистые соединения углерода - сероокись СОS, тиоокись CS, тионедоокись С₃S₂, тиофосген СSCl₂ - получают косвенными методами [7, 8].

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 1000 ^оС образует карбиды. Все формы углерода восстанавливают оксиды металлов до свободных металлов. Все формы углерода не растворимы 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).

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 [7, 31]. 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 [35].

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 [7].

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 активными 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 представляет собой основу существующей 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 её 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 [20, 23].

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 [7, 8].

Карбонатные ионы (CO₃^-2, HCO₃^-) и их соединения с ионами кальция растворяет вода, и в результате углерод осаждается в виде СаСО₃, включаясь 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 её увеличение, 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 комплексность негативных условий [12].

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 [3, 6, 10].

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. Круговорот углерода в сложном компосте разделяется весьма условно [19, 20].

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 используется 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 [21, 22].

Соединения углерода в сложном компосте, подвергающиеся минерализации микроорганизмами, широко представлены за исключением гумуса (в основном целлюлоза, лигнин, высокомолекулярные 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 роль в трансформации органических веществ, являясь основным звеном в их аэробном разложении и круговороте углерода [13, 15, 16, 17].

Азот и его роль в развитии ландшафтов. 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, являясь важнейшим элементом, определяющим продуктивность агроландшафтов. Ресурсы доступных форм азота растениям 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 [11, 14, 18].

Человек искусственно создает азотные удобрения, компенсирующие постоянный вынос азота с урожаем. Производство азотных удобрений в мире столь велико, что в количественном отношении они достигают биологического синтеза 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 подкормок сложно и дорого. Именно поэтому коэффициент использования азота удобрений растениями остается низким, и основная его часть попадает в водоемы (инфильтрация) и в атмосферу (N₂), усиливает эвтрофикацию биологического и химического состояния водоёмов, усложняет проявление парникового эффекта, разрушает озоновый экран Земли [24, 25, 26].

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 [32].

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 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.).

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. Считается, что в умеренной климатической зоне за счет азотфиксации связывается около 30-50 кг N₂ на 1 га, а в тропической зоне её продуктивность доходит до 100 кг N₂/га и больше. В связи с этим стали очевидны источники азота, определяющие азотный баланс. Биологическая продуктивность климаксных систем (тайга, луговая степь и др.) в принципе остается неизменной, хотя потери азота в результате микробиологической трансформации определяют волнообразные сдвиги [27, 28].

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 и сернокислым кальцием минеральных отходов, усиливает процесс нитрификации. В динамике азота в сложном компосте выделяются нитрификация и денитрификация, которые осуществляются микроорганизмами [29, 30].

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 ѕ 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 её 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, одноклеточные водоросли), с переходом органики 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 [22].

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 [32, 33].

Основные запасы азота в сложном компосте заключены в основном 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 [35].

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 прерываться 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 [8].

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 переходных этапов 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 [8, 10].

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 нитрита влияние оказывает соотношение С:N на уровне 25. Разложение нитрита идет интенсивно в силу высокой активности обильной микрофлоры. При высоком отношении С:N (свыше 25) активность микрофлоры подавлена и разложение детрита идет медленно [9].

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 круговорота 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.

Азот в сложном компосте представлен рядом форм, которые постоянно трансформируются; встречается в основном в органической форме, в которой преобладают соединения, содержащие аминогруппу, на их долю 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 [17].

В процессе минерализации органического вещества образуется аммиак, а затем и аммоний. Нитрифицирующие бактерии преобразуют аммоний в нитраты. В процессе иммобилизации NH₄⁺ и NО₃^- превращаются 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 [9, 10].

При внесении сложного компоста содержание азота в слое почвы 0-20 см через 2 месяца после посева озимой пшеницы снижается на 7,2% (табл. 2) и на 5,7% повышается количество Р₂О₅. Усиление минерального компонента (фосфогипс) повышает процесс гумусонакопления, и за 2 года вегетации растений его содержание увеличилось на 0,11%; масса гумуса на контроле снизилась на 0,05% [11, 12, 13].

Таблица 2

Содержание общего азота в почве по вариантам опыта

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 её верхнем слое на содержание обменного кальция10-12%; на контроле содержание кальция, наоборот, снизилось на 8-10%. Сложный компост поддерживает уровень гумуса в почве, повышает в слое 0-20 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 содержание 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 изменения 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 [26, 27, 28, 29].

Экономия расхода органического азота в сложном компосте определяется защитой и снижением скорости разложения её органического 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 [11, 17, 27].

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 его число не превышало 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 каждая особь формирует свою зону побегообразования. В варианте без сложного компоста мочковатые корни образуются только в базальной части, начиная с первой настоящей почки [25, 27].

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 и 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. 3).

Таблица 3

Влияние сложного компоста на численность трофических групп почвенных микроорганизмов

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. 4).

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.

Таблица 4

Влияние сложного компоста на численность основных функциональных групп почвенных микроорганизмов (вегетационный опыт)

Влияние сложного компоста на активность процесса денитрификации весьма заметно проявилось в полевом опыте в колхозе «Заветы Ильича» Ленинградского района в 2005-2007 гг. (табл. 5).

Таблица 5

Активность денитрификации азота по вариантам опыта

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.

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; её 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 количество 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 конца вегетации растения преимущественно используют азот почвы и его содержание в растении повышается [17].