Влияние сложного компоста на агрохимические свойства чернозема обыкновенного

Сельское хозяйство является одним из основных факторов, приводящих к развитию деградационных процессов почвы. При этом причиной интенсивного развития де-градационных процессов, имевших до ХХ в. только локальное проявление, послужило пренебрежение экологическими основами сельского хозяйства. Используемые в настоящее время технологии возделывания сельскохозяйственных культур являются экологически несовершенными и ориентированы только на достижение высокой урожайности культур, полное использование их биологического потенциала и выполнение потребительских функций.

Такое ведение сельского хозяйства, первостепенной составляющей которого является применение агрохимикатов, привело к серьезным изменениям почвенного покрова, а именно к ухудшению физического состояния (изменению гранулометрического и валового составов, соотношения микро- и макроагрегатов, снижению аэрации, водоудерживающей способности, повышению плотности и т.д.) и агрохимических свойств пахотного слоя почвы (снижению содержания в почве органического вещества, основных элементов питания, подщелачиванию или, наоборот, подкислению почвенной среды и др.). Все эти негативные изменения превратили почвы в почвоподобные образования со сниженными экологическими функциями, низким плодородием и неблагоприятными условиями для жизнедеятельности живых организмов.

Нарушение активности функций почвенного покрова связано также с ростом земельных площадей, занятых различными отходами производства и потребления, образование которых на сегодняшний день является неотъемлемым и необратимым процессом в развитии человечества, который невозможно полностью исключить. Возможен лишь поиск методов и технологий вторичного их использования, которые могут быть направлены на восстановление экологических функций почвы, улучшение ее физического и химического состояния и приведет к формированию благоприятных свойств почвы как среды обитания (Белюченко, 2012). Такой подход к восстановлению экологических функций почвы является серьезной альтернативой существующим в настоящее время агротехнологиям возделывания сельскохозяйственных культур.

Одним из самых надежных, экологически и экономически перспективных способов сохранения плодородия почвы (а значит, и улучшения агрохимических ее свойств), с одной стороны, и утилизации многих из отходов, с другой, является использование в качестве удобрений сложных органоминеральных компостов на основе отходов сельскохозяйственных и промышленных производств.

При этом отходы сельского хозяйства и быта (навоз КРС и свиней, птичий помет, растительные остатки, осадки сточных вод) привлекают наибольший интерес, так как именно они являются основным источником поступления органической составляющей в почву с одновременным созданием условий для воспроизводства почвенного плодородия.

А некоторые отходы промышленных производств, такие как фосфогипс, дефекат, опилки, могут служить минеральным дополнением к органическим отходам и совместно с ними формировать органоминеральные компосты, которые значительно улучшают физические и химические свойства почвы (создают благоприятные водный и воздушный режимы почвы, обогащают почву элементами минерального питания) (Белюченко, Муравьев, 2009; Мельник, 2010). Это в свою очередь позволит одновременно решить проблемы охраны окружающей среды и повышения плодородия почвы.

В связи с этим одной из основных задач кафедры общей биологии и экологии Кубанского госагроуниверситета является изучение влияния сложного компоста на агрохимические свойства почвы с целью оценки возможности его использования для повышения плодородия.

Методика исследований. Оценка влияния сложного компоста на агрохимические свойства чернозема обыкновенного проводилась на примере полевого опыта, заложенного на территории ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района Краснодарского края в 2008 году на поле севооборота, представленного сменой следующих сельскохозяйственных культур:

• 2008 год - кукуруза на зерно,
• 2009 год - озимая пшеница,
• 2010 год - сахарная свекла,
• 2011 год - озимая пшеница,
• 2012 год - подсолнечник.

Опыт представлен двумя вариантами: 1) контроль (принятая для хозяйства норма КРК) и 2) сложный компост + КРК. В компонентный состав компоста включены отходы сельского хозяйства (навоз КРС, растительные остатки) и отход промышленного производства (фосфогипс). Компост вносили в почву один раз в 2008 году под кукурузу, в результате чего наблюдали действие и последействие компоста на протяжении 5 лет исследований.

Результаты исследований и их обсуждение. Сложные компосты оказывают определенное влияние на агрохимические свойства почвы: содержание органического вещества, общего азота и его подвижных форм, фосфора, кальция, серы; способствуют нейтрализации почвенной среды (рН).

Один из центральных показателей при оценке агрохимических свойств почвы -содержание в ней органического вещества. Проблема снижения плодородия почв в настоящий период обостряется в связи с потерей в них органического вещества, особенно если применяемая система земледелия не предусматривает его пополнение за счет использования зеленых удобрений, перегноя, компостов, пожнивных остатков и т.д. Так за последние 100 лет черноземы многих сельскохозяйственных районов потеряли до 25-30% и больше запасов органического вещества (Орлов, 1985; Белюченко, Гукалов 2003).

Благодаря органическому веществу почва заселяется многочисленными микроорганизмами и почвенными животными, с которыми связано протекание в ней сложных и разнообразных биохимических процессов. Живое вещество почвы обусловливает биологический круговорот веществ и потоки энергии, что делает возможным существование самой почвы и растений на Земле; оно оказывает также положительное влияние на многие физические, химические свойства почвы и является важнейшим накопителем и хранителем элементов питания для растений, во многом определяя качество и количество урожая сельскохозяйственных культур.

В течение последних 20-25 лет в земледелии страны, включая и хозяйство, где проводились исследования (ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района Краснодарского края), нарушены устоявшиеся ранее формы и методы использования земель (внесение органического вещества практически исключено из технологий, больше стали занимать в севообороте зерновые культуры, подсолнечник, сахарная свекла и другие). В связи с этим возникла необходимость оценки содержания в почве органического вещества с целью отслеживания в последующем его уровня в почвах агроландшафта уже в новых условиях хозяйствования (при внесении сложного компоста).

В результате проведенных исследований было выявлено, что разница в содержании органического вещества в первый год внесения сложного компоста по вариантам составила 0,52% при существенном снижении его минерализации благодаря коагуляции минеральных коллоидов фосфогипса и органических коллоидов навоза КРС, растительных остатков и почвы. Это создало лучшие условия для стабилизации уровня распада органического вещества в почве на участке с внесением сложного компоста по сравнению с контролем в первый год исследования и весьма убедительно отразилось на исследуемом показателе на второй и последующие 4-5 лет действия сложного компоста (табл. 1).

Содержание органического вещества в почве на участке, где вносили компост, на посевах кукурузы в 2008 году составило 4,03±0,07, тогда как на контроле -3,46±0,05%, а в посевах озимой пшеницы в 2009 году соответственно 4,26±0,09 и 3,52±0,07%. В последующем в посевах сахарной свеклы (2010 г.), озимой пшеницы (2011 г.) и подсолнечника (2012 г.) на участках с внесением компоста наблюдалось некоторое уменьшение в черноземе обыкновенном содержания органического вещества, однако его уровень превышал контрольный вариант на 0,5-0,6%.

Внесение сложного компоста положительно сказалось и на запасах в почве органического вещества по годам исследования (табл. 2). В среднем по годам запасы органического вещества в почве опытного варианта с внесением компоста превосходят контроль на 7,43 т/га.

В первый год действия сложного компоста при его внесении отмечено увеличение запасов органического вещества в почве на уровне среднего значения (7,70 т/га). Однако уже на второй год исследуемый показатель значительно превышает (на 11,06 т/га) контрольный вариант. Последействие (на 3-5-й годы) сложного компоста на запасы в почве органического вещества выразилось в некотором их снижении с разницей по вариантам в 5,00-6,81 т/га.

Увеличение содержания органического вещества и его запасов можно объяснить тем, что при использовании в сложном компосте фосфогипса (минеральная составляющая) подвижный аммоний (1ЧН₄+) навоза (органическая составляющая) обменивается при компостировании отходов на Са₂+ в эквивалентном количестве. При этом фосфогипс усиливает в субстрате сложного компоста физико-химическое поглощение, определяя обмен катионов субстрата на катионы раствора почвенно-поглощающего комплекса (ППК), активно участвует в формировании органоминерального комплекса, механическая часть которого более пористая (по сравнению с почвой без внесения сложного компоста) и легко задерживает частицы другого вещества в своих порах (глину, органические вещества и т.д.). Такие характеристики применения сложного компоста и являются предпосылкой к поддержанию и дальнейшему увеличению в почве содержания органического вещества.

При внесении в почву сложного компоста снижение трансформации органического вещества сопровождается увеличением содержания азота. Данная тенденция наблюдается на протяжении 5 лет после использования сложного компоста под всеми исследуемыми сельскохозяйственными культурами.

При этом валовое содержание азота характеризует почву как хранителя общего запаса данного элемента и не раскрывает степень обеспеченности растений его доступными формами. На контроле под посевами основных сельскохозяйственных культур содержание общего азота варьирует в пределах от 0,21±0,01 до 0,39±0,01%; на участке с внесением компоста оно возрастает и составляет 0,32-0,42% (табл. 1).

При увеличении по вариантам в почве концентрации общего азота возрастает и содержание аммонийного азота, который в отличие от нитратного хорошо удерживается почвенным поглощающим комплексом следующей реакцией:

ППК*£ + Са50± -> (ППК)Са + (ЛШ₄)₂50₄.

В результате проведенных исследований было отмечено, что на участке с внесением сложного компоста количественные показатели содержания аммонийного азота превышали контроль в среднем по годам в 1,37 раза. Причем наибольшее превышение характерно для 2-го года после внесения сложного компоста, когда была отмечена и максимальная разница по содержанию в почве органического вещества.

Было определено также и содержание в почве нитратного азота. Обследование опытного участка показало, что по годам действия сложного компоста под различными сельскохозяйственными культурами содержание нитратного азота варьирует в пределах от 3,00±0,06 до 10,02±0,21, а на контроле от 2,39±0,05 до 8,95±0,19 мг/кг (табл. 1). Однако, в отличие от аммонийного азота, нитратный азот характеризуется снижением своего содержания на 2-й и последующие годы после внесения сложного компоста, что указывает на ослабление процесса нитрификации, а следовательно, и поступление его в сельскохозяйственную продукцию.

Таким образом, повышение концентрации азота (общего и аммонийного) при внесении сложного компоста может быть связано с его способностью снижать трансформацию органического вещества, что определяется заметным усилением процессов агрегирования. При совместном использовании в составе сложного компоста фосфо-гипса и навоза КРС происходит консервация азота в аммонийной форме, снижающая его потери в почве за счет ослабления процессов денитрификации и инфильтрации.

В процессе компостирования ускоряются химические реакции, например, при включении в навоз КРС фосфогипса можно зарегистрировать прохождение реакции Са80₄ + С0₂ + 21ЧН₃ (навоз) + Н₂О— СаС0₃ + (М1₄)₂80₄, которая при создании благоприятных условий протекает достаточно интенсивно, при этом количество доступного растениям аммонийного азота увеличивается до 30 % (Белюченко, 2009).

Уровень фосфорного питания сельскохозяйственных культур севооборота складывается за счет мобилизации естественных запасов подвижных фосфатов в почве. При этом содержание доступных растениям соединений фосфора в почве, являясь одним из основных показателей окультуренности, достаточно объективно характеризует ее плодородие в отношении этого элемента питания. В свою очередь, запасы фосфора связаны с характером почвообразующих пород, зависят от уровня накопления органического вещества в почве и степени его минерализации, а также от влажности почвы, реакции почвенной среды, рельефа местности и т.д.

В результате проведенных производственных исследований было отмечено, что в первый год внесения сложного компоста (под кукурузу на зерно) на опытном участке содержание подвижного фосфора превысило контрольный показательболее чем на 17 мг/кг. На 2-й год (под озимой пшеницей) разница между вариантами опыта уменьшилась и составила 9,85 мг/кг (табл. 1).

Максимальное содержание подвижного фосфора было выявлено на 3-й год после внесения сложного компоста под сахарной свеклой (54,74±1,39 мг/кг), в то время как на контроле оно составило 26,87±1,21 мг/кг. Таким образом, наблюдалось варьирование показателей содержания в почве подвижного фосфора, что можно объяснить сменой сельскохозяйственных культур севооборота, принятого в хозяйстве проведения исследований, и спецификой предпосевной подготовки почвы. Однако положительное действие сложного компоста на содержание в почве подвижного фосфора было отмечено на протяжении всего периода исследований с некоторым снижением на 4-й и 5-й годы (соответственно под озимой пшеницей и подсолнечником) с разницей по вариантам до 5,00 и 5,76 мг/кг.

Следующий не менее важный исследуемый агрохимический показатель - содержание в почве кальция. Он играет важную роль в процессах почвообразования, входит в состав почвенно-поглощающего комплекса, участвует в обменных реакциях почвенного раствора, обусловливая высокую буферную способность почвы, в регулировании реакции почвенного раствора и повышении активности микроорганизмов.

Почвы с высоким содержанием обменного кальция обладают хорошей агрономической структурой, водопрочностью и другими благоприятными свойствами, обеспечивающими высокое плодородие. Кальций, потребность в котором проявляется уже в фазу прорастания семян, играет большую роль в жизни растений, он необходим для роста и развития надземных органов и корневой системы (Шеуджен, 2003).

В результате проведенных исследований было отмечено также увеличение содержания кальция и серы в верхнем слое почвы при внесении сложного компоста (табл. 1). На участке с внесением сложного компоста содержание кальция варьировало от 0,13±0,01 до 0,37±0,01%, тогда как на контроле оно оказалось значительно ниже и составило от 0,08±0,01 до 0,17±0,01%. Таким образом, во все годы исследований опытный участок с компостом превосходит контрольный в среднем в 2 раза по содержанию кальция.

Производственные испытания показали, что внесение в почву сложного компоста на основе отходов промышленных и сельскохозяйственных производств (фосфо-гипс, навоз КРС, растительные остатки), способствовало также увеличению в почве сульфатов, являющихся важным условием роста и развития сельскохозяйственных культур. Так, содержание в почве подвижной серы (80₄ ^-) по годам исследований составляет от 0,06±0,01 до 0,09±0,01% на контроле и от 0,07±0,01 до 0,12±0,01% - на опытном участке с внесением сложного компоста, сохраняя тенденцию положительного его влияния на свойства почвы (табл. 1).

Повышение содержания кальция и серы в почве при использовании сложного компоста обусловлено поступлением этих элементов с фосфогипсом - минеральной составляющей компоста (содержание кальция в фосфогипсе составляет более 20%, а содержание серы - до 30%).

Варьирование показателей рН в границах однородных территорий не должно превышать 5-10% от средних значений; всякое изменение реакции почвенной среды приводит к смене характера почвообразования и экологических условий обитания организмов. Реакция почвенной среды зависит от многих факторов (почвообразующей породы, растительности, влажности и др.) и не является постоянной величиной, а имеет тенденцию изменяться в течение года и вегетационного периода. Основным приемом регулирования реакции почвенной среды является постепенное окультуривание пахотных земель путем повышения содержания органического вещества, количества способных к обменным поглощениям коллоидных частичек, которые уменьшают вымывание оснований (Юлушев, 2005).

Почва контрольного участка, где проводились производственные испытания, характеризуется значениями рН_Н2О от 8,15±0,16 до 8,34±0,18 при среднем значении по годам 8,26±0,18 (табл. 1), что позволяет отнести реакцию почвенной среды к средне-щелочной. При внесении в почву сложного компоста реакция почвенной среды снижается и составляет от 7,32±0,17 до 7,46±0,17 при среднем значении рН_Н2О 7,38±0,17 (реакция почвенной среды слабощелочная), что связано с воздействием кислой реакции фосфогипса (рН 5,0-5,5) в составе сложного компоста. Таким образом, совместное использование в составе компоста отходов промышленных (фосфогипс) и сельскохозяйственных (навоз КРС, отходы растениеводства и др.) производств при внесении в почву способствовало снижению ее щелочности. При этом наблюдаются более благоприятные физические условия, хорошая оструктуренность почвы, оптимальные условия минерального питания, интенсивная микробиологическая деятельность.

В заключение следует подчеркнуть, что внесение в почву сложного компоста оказывает заметное положительное влияние на ее химизм, включая содержание органического вещества, азота, фосфора, кальция, серы, а также реакцию почвенной среды.

Увеличение в почве содержания азота связано со снижением трансформации органических веществ в связи с их консервацией коллоидными системами при внесении дисперсного компоста; снижение щелочности почвенного раствора усиливает микробиологическую активность почвы, что способствует повышению ее биологической поглотительной способности и снижению выщелачивания элементов питания; повышение в почве фосфора, серы и кальция обусловлено, главным образом, поступлением данных элементов с минеральной составляющей сложного компоста (фосфогипсом).