Глобальный круговорот питательных веществ

29.06.2014

Важнейшей задачей экологического земледелия является «изъять» из глобального круговорота и замкнуть питательные вещества и энергию в виде накопившегося гумуса во внутрихозяйственный круговорот.
Среди многих ярких достижений наук XX века достойны быть отмеченными успехи биогеохимии, которая изучает роль живых организмов в химическом преобразовании поверхности Земли, ее вод и атмосферы. Рождение этой науки связано с именем В.И. Вернадского, который пришел к своим фундаментальным обобщениям в значительной мере благодаря изучению химии почвенных процессов, прекрасно зная не только геохимию, но и агрохимию своего времени.
Немаловажно и то, что его учитель В.В. Докучаев, прежде чем стать великим почвоведом, был магистром геологии и минералогии Санкт–Петербургского университета, прекрасно знал агрохимию. Докучаевское определение почвы как естественного тела, образовавшегося под воздействием климата и живых организмов на геологической породе, стало началом не только науки о почвах. Установленная Докучаевым связь между живыми и неживыми компонентами природы имела большое значение для развития таких научных дисциплин, как ландшафтоведение, биогеоценология, экология, биогеохимия.
Краеугольное понятие всех перечисленных наук – представление о биосфере. Ее определение было дано академиком В.И. Вернадским: биосфера – это часть литосферы, гидросферы и атмосферы, где распространена жизнь, где существует живое вещество, где химические свойства среды определяются действием живых организмов.
Наука, изучающая химизм природных процессов законы миграции, концентрации и рассеяния атомов химических элементов на Земле, могла появиться только после открытия Д.И. Менделеевым периодического закона и создания Н. Бором теории строения атомов. «Геохимия – наука XX века» – так начал свои лекции в Сорбонне 60 лет назад В.И. Вернадский.
Академик В.И. Вернадский утверждал, что земная газовая оболочка, наш воздух есть создание жизни. В них ответ на вопрос о роли ландшафта в формировании современной атмосферы Земли. Важнейшая ее часть – свободный кислород – образуется в результате фотосинтеза, который непрерывно протекает на суше и в поверхностных горизонтах моря вот уже свыше миллиард лет. Фотосинтез – единственный распространенный на Земле процесс, который высвобождает из различных соединений кислород. Во всех остальных реакциях – дыхание организмов, окисление железных, серных, марганцевых и других минералов – происходит преимущественно связывание свободного кислорода.
Вместе с тем при фотосинтезе зеленые растения не только выделяют кислород, но и поглощают из воздуха углекислый газ (СО2). За период геологической истории растительность Земли практически очистила атмосферу от углекислого газа, содержание которого сейчас составляет лишь 0,03%. Углерод же, который был в составе углекислого газа воздуха, частично снова возвращается в атмосферу в результате дыхания, горения и других процессов, а частично входит в состав гумуса, торфов, известковых раковин животных. В дальнейшем из этих остатков образуются каменные и бурые угли, нефть, многие известняки.
Развитие жизни на Земле и биологический круговорот – взаимосвязанные и взаимообусловленные явления.
Биологический синтез органических соединений и их последующее разложение, перевод в минеральную форму составляют сущность и жизненных процессов, и биологического круговорота. В процессе разложения органические вещества проходят длинную цепочку превращений, связанных с жизнедеятельностью гетеротрофных организмов, то есть организмов, которые могут жить и развиваться только за счет готовых органических веществ.
В.Р. Вильямс в своих работах, исходя из ограниченности запасов необходимых растениям «биогенных» элементов, неоднократно подчеркивал, что если 75% общего количества ежегодно синтезируемого растениями органического вещества не будет минерализовано гетеротрофами, то через три–четыре года жизнь на Земле должна прекратиться.
Живые существа регулируют круговорот немногих химических элементов: кислорода, азота, в меньшей степени фосфора, серы, углерода и микроэлементов. Для других элементов гораздо большую роль играют физические факторы: перемещение горных пород, вода, ветер (геологический круговорот веществ).
Круговорот таких элементов, как азот, фосфор, калий, необходимо регулировать. Впервые баланс азота в земледелии исследовал французский физиолог растений и агрохимик Ж.Б. Буссенго, учеником которого с гордостью называл себя основоположник отечественной физиологии растений К.А. Тимирязев. Опыты Буссенго по обогащению почвы азотом при выращивании клевера и люцерны стали классическими, это и дало повод ученику Тимирязева академику Д.Н. Прянишникову считать, что агрохимия возникла в 1836 году – в год опубликования работ Буссенго.
Главная задача агрохимии, по определению Прянишникова, – изучение круговорота веществ в земледелии и выявление тех мер воздействия на этот круговорот, которые могут повысить урожай или улучшить его качество. В сельском хозяйстве без удобрений не обойтись: с каждой тонной урожая пшеницы с поля выносится 37 кг азота, 13 – фосфора, 23 кг – калия. Для картофеля на тонну урожая вынос значительно меньше: 6 кг азота, 2 – фосфора, 8 – калия, а вот конопля – один из рекордсменов, она выносит с поля на одну тонну полученного волокна 200 кг азота, 62 – фосфора и 100 кг – калия.
Углерод растение получает с углекислотой из воздуха, а минеральные элементы ему должна дать почва. При этом в почве многие из них находятся в виде связанных с гумусом соединений. Например, 95–98% азота содержится в почве в виде органического вещества и только 2–3% – в минеральных соединениях, непосредственно доступных растениям. Многие микроэлементы в больших количествах содержатся в живой биомассе растений, животных, микроорганизмов и, пока не погибнут их живые «носители», недоступны для других организмов. Велико значение почвы и как своеобразного геохимического экрана. Это особенно актуально в связи с загрязнением ландшафтов тяжелыми металлами, такими, как свинец, ртуть, кадмий.
По сравнению с составом земной коры биомасса растений гораздо богаче азотом, углеродом, водородом и кислородом, а биомасса животных, кроме того, еще серой и фосфором. Все это – биогенные элементы, жизнь без них попросту невозможна. Больше всего в живом веществе, не считая воды, углерода, азота, кальция, калия, кремния, фосфора, серы, стронция, бора, цинка, молибдена, меди, никеля. Именно эти элементы – главные в биогенном круговороте веществ. Общая продолжительность биогенного круговорота на суше в целом, по мнению В.А. Ковда около 300–400 лет. Правда, цифра эта относится в основном к лесам, а в агроценозах круговороты биогенных элементов идут во много раз быстрее.
Всего в тканях живых организмов встречается 66–68 элементов, причем 47 из них постоянно. Жизненно необходимыми, как это твердо установлено, являются многие микроэлементы, в том числе медь, кобальт, цинк, бор, йод, молибден, железо, фтор и др. Можно выделить три группы элементов:
1) те, что постоянно содержатся в тканях и незаменимы в пище: O, C, H, N, Ca, P, K, S, Cl, Na, Mg, Zn, Fe, Cu, Mn, I, V, Mo, Co, Se, B, F;
2) те, что постоянно встречаются в живом организме, но физиологическая роль их изучена плохо и неизвестно, оказывает ли отрицательное влияние их отсутствие в живых организмах: Sr, Cd, Br, Si, Cr, Be, Ni, Li, Cs, Sn, Al, Ba, Rb, T, Ag, Ga, Ge, As, Hg, Pb, Bi, Sb, U, Th, Ra;
3) те, что иногда обнаруживаются в тканях, но их физиологическая роль неизвестна: La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Pv, Er, Ib, W, Re, Au.
По мнению А.П. Виноградова, существует один закон для распространения химических элементов в литосфере и в живом веществе: состав организмов отражает химический состав окружающей среды. Виноградов установил также, что количество тех или иных химических элементов в живом веществе находится в обратной зависимости от их атомного веса, то есть живой организм богаче легкими элементами. Такие элементы и их ионы меньше по размеру и при прочих равных условиях «подвижнее».
Кроме того, очень важно, насколько легко вовлекаются элементы в круговорот воды. Академик Б.Б. Полынов предложил определять интенсивность водной миграции как отношение количества элементов в минеральном остатке речной или грунтовой воды к содержанию этого же элемента в земной коре, водоносной породе и т.д. Оказалось, что наиболее подвижными мигрантами в биосфере являются Cl, S, В, Br, I, Са, Na, Mg, F, Sr, Zn, U, Mo.
Примерно 9% от веса растения составляет углерод, входящий в состав всех органических соединений. Растения получают его из углекислого газа, находящегося в воздухе. Углерод усваивается растением в процессе фотосинтеза, идущего с поглощением световой энергии и с выделением кислорода.
На долю остальных элементов приходится лишь один процент от веса растения, причем около четверти этого процента составляет азот. Усваивать атмосферный азот растения не могут (такой способностью наделены только некоторые микроорганизмы) и вынуждены всасывать его корнями из почвы в виде соединений. Обычно в почве таких соединений недостаточно, поэтому земледельцам приходится подкармливать выращиваемые растения искусственно полученными производными азота – азотными удобрениями.
Фосфора содержится в растениях 0,06%. В связи с выносом его из почвы с урожаем в почве его не хватает, поэтому и производятся фосфорные удобрения. Например, суперфосфат, состоящий из смеси гидрофосфата кальция с сульфатом кальция. Комбинированное фосфорное удобрение, аммофос, помимо фосфора, содержат и ионы аммония, то есть может удовлетворять потребность растений в обоих важнейших элементах–биогенах.
Роль фосфора в организме велика. Он входит в состав вещества наследственности – нуклеиновой кислоты. Благодаря аденозинтрифосфорной кислоте клетка запасает впрок, переносит, хранит и использует по мере надобности энергию. Кроме того, фосфор входит составной частью в другие важные биологические вещества.
Металлы, в частности калий, позволяют растению всасывать из почвы воду и необходимые соли: полупроницаемые для солей клеточные мембраны и повышенная концентрация калия в клетке создают «насос», постоянно накачивающий воду в растение.
Подобно азоту и фосфору, калия тоже в почве не хватает. Его дефицит восполняется калийными удобрениями. Они представляют собой смесь хлоридов калия и натрия или смесь хлорида калия с сульфатом магния.
Но, помимо калия, растение нуждается и в других металлах. Так, кальций служит для нейтрализации, связывания органических кислот; магний входит в состав хлорофилла – непременного участника фотосинтеза; железо, марганец, кобальт, молибден, медь участвуют в окислительно–восстановительных процессах. Правда, потребность в этих элементах невелика, и их почти всегда оказывается достаточно в почве. Из неметаллов растениям необходима также сера, входящая в состав аминокислот и других веществ.
Для сохранения непрерывного круговорота живого вещества в хозяйстве, т.е. для того, чтобы в почве всегда имелись в достаточном количестве легкоразлагаемые органические вещества, необходимо сохранять внутрихозяйственный круговорот питательных веществ как можно более замкнутым. Это касается всех питательных веществ, как минеральных, из которых первостепенное значение имеют фосфор, калий и магний, так и неминеральных, таких как углерод и азот.
Минеральные питательные вещества становятся доступными растениям в результате активности почвенных организмов. Одна часть убранных растений используется животными, другая продаваемая на рынке часть выпадает из производственного цикла. Пожнивные остатки и корневая масса растений разлагаются почвенными организмами.
Питательные вещества той части урожая, которая пошла на корм скоту, частично возвращаются назад в почву в виде удобрений производственного цикла, частично покидают хозяйство в виде готовых продуктов животноводства. Потери питательных веществ происходят также при дыхании животных, при уборке кормовых культур и во время обращения с удобрениями. Питательные вещества, которые выпадают из производственного цикла в виде потерь, проданного урожая или продуктов переработки, вступают в так называемый глобальный (большой геологический) круговорот питательных веществ и не участвуют в повышении плодородия почвы.
Например, азот улетучивается в атмосферу земли и затем опять может связываться посредством бобовых культур. То же самое может происходить с углеродом, который при разложении процессе дыхания улетучивается в виде СО2 возвращаясь обратно в результате ассимиляции при фотосинтезе. Такое возвращение азота и углерода всегда связано с затратами энергии. Другие минеральные питательные элементы, экспортируемые из хозяйства, в большинстве случаев необратимо теряются. Они скапливаются на мусорных свалках, попадают в реки и моря, где становятся причиной загрязнения окружающей среды.
Замкнутый круговорот питательных веществ, отказ от большинства минеральных удобрений и целенаправленное стимулирование активной мобилизации почвенных питательных ресурсов являются рациональными приемами как с экономической) так и экологической точек зрения.
Именно Юстус Либих, которого почитают «отцом минеральных удобрений», часто задумывался о том, как можно вновь использовать для сельского хозяйства находящиеся в сточных водах питательные вещества. Он восхищался организацией сельскохозяйственного производства в Китае, где возвращение в почву фекалий тысячелетиями обеспечивает стабильность ее плодородия.
В настоящее время по причине высокого содержания токсичных веществ, к сожалению, невозможно рациональное использование компостов из бытового мусора и шлама. Только путем разделения неорганических и органических бытовых отходов могут возникнуть удобрения, альтернативные традиционным видам. Во всяком случае, такой подход является шагом в правильном направлении.