Почвы являются универсальным регулятором состояния стабильности природных экосистем, качество которых оценивается ее плодородием, индексом биологического разнообразия, продуктивностью растений. Процессы разложения органических остатков протекают при непосредственном участии ферментов микроорганизмов и сводятся к гидролизу макромолекул биополимеров до олигомеров и мономеров, которые затем проникают через клеточные мембраны и подвергаются окислению до минеральных соединений или низкомолекулярных органических соединений. Скорость деструкции органических веществ наземной массы выше скорости разложения биомассы корней из-за особенностей морфологической структуры тканей в корнях, где белки находятся в комплексе с лигнином, что и тормозит скорость их минерализации. С течением времени в почве происходит непрерывный процесс взаимодействия продуктов деструкции (гуминовых кислот) с минеральной частью почвы, которые используются в биотическом круговороте веществ с последующей консервацией органического вещества в форме новых устойчивых к деструкции промежуточных продуктов (гумусовых кислот), аккумуляторов элементов питания и энергии.
Возобновление органического вещества почв в естественных биоценозах за счет эффективных гумифицированных продуктов позволяет ускорить процесс гумификации, повысить продуктивность энергетических растений и снизить материальные и энергетические затраты на воспроизводство почв.
Антропогенная деятельность приводит к интенсивному накоплению токсичных отходов в поверхностном слое почвы, где происходит постепенное их депонирование. При длительном воздействии токсичных веществ на живые организмы происходит изменение видового разнообразия, гибель или угнетение наиболее чувствительных видов, снижается скорость гумификации.
В связи с тем, что азот является важнейшим биогенным элементом, входящим в состав биомассы животных и растений, гумуса, биологически активных веществ (белков, аминокислот, нуклеиновых кислот, хлорофилла, гемоглобина и других), процесс миграции биогенных элементов в агроэкосистеме исследовали с помощью природного изотопа 15N.
Применение изотопа азота 15N позволит выявить участие почвенного азота в питании растений на фоне внесения азотных удобрений, определить истинные коэффициенты использования азотных удобрений, определить потери на денитрификацию и вымывание. Как правило, коэффициент использования азота минеральных удобрений большинством сельскохозяйственных культур не превышает 40–50 % от вносимой дозы. Большинство вносимого биогенного азота (25–30 %) фиксируется в почве микрофлорой (абиогенной или биогенной), а остальное количество (25–30 %) безвозвратно теряется в виде газообразных продуктов динитрификации.
В исследованиях ВНИИМЗа на агроэкологическом полигоне наибольшее влияние на изменение агрохимических свойств почвы оказало время. Фактор времени определяет 22,7 % пространственно-временной изменчивости параметров. В почвах под козлятником восточным содержание гумуса за 15 лет наблюдений увеличилась почти на 40 %. Интенсивное образование гумуса снижает темпы вымывания питательных веществ из пахотных горизонтов почвы [1].
Использование методов биотестирования и меченых атомов, позволит дать интегральную оценку изменений в почвенно-биотическом комплексе природных и техногенных систем.
Для управления процессами гумификации почв предлагается использовать мониторинг почв Тверского региона интегральную оценку изменений в почвенно-биотическом комплексе природных и техногенных систем проводили методом биотестирования [2]. При биотестировании техногенных зон определяются потенциально опасные (ПОЗ) для здоровья людей зоны. Так ПОЗ для города Твери является прибрежная зона реки Тверца в устье р. Волга.
Наряду с биотестированием почв проводится диагностика участия почвенного азота и азота мочевины в питании растений. Для этого используется метод меченых атомов. В исследовании Тверской ГСХА травостой клевера лугового в чистом виде при фосфорно-калийном удобрении (РК) в первом укосе на 47,6 % состоял из бобовых, во втором укосе на 78,8 %. Посев тимофеевки почти на 100 % был злаковый во всех вариантах удобрений. Злаков в клеверо-тимофеечной смеси меньше 75 % не было при любом режиме удобрений.
В целом за год урожайность была выше в клеверо-тимофеечной смеси и достигала 38,86 т с 1 га зеленой массы. При подкормке многолетних трав дважды по N60 усвоение азота почвы и удобрений различалось по укосам, в зависимости от происхождения травостоя. Тимофеевка в смеси с клевером использовала азота удобрений меньше, чем в чистом виде.
Во втором укосе процент азота удобрений в общем выносе вне зависимости от ботанического состава травостоя в два раза больше, чем в первом укосе. В этих условиях азота почвы в урожае первого укоса в злаковой и бобово-злаковой травосмесях в 2 раза больше, чем азота удобрений. В урожае второго укоса, наоборот, в смешанном травостое почти одинаковое количество N почвы и удобрений, а в урожае злаков азота удобрений в два раза больше, чем азота почвы.
Выбор направлений рекультивации определяется в соответствии с требованиями ГОСТ 17.5.1.02–85. Рекультивация техногенных почв проводится в два этапа: технический выравнивание рвов, впадин, терриконов с последующим нанесением плодородного слоя почвы и биологический – улучшение свойств почвы. Для повышения качества техногенных почв используют травянистые растения семейства бобовых
По результатам исследований были выбраны наиболее опасные почвы (санитарно-защитных зон ТЭЦ-3, ТЭЦ-1, экскаваторного завода, механического завода) для формирования стабильного фитоценоза. Биологический этап рекультивации этих почв предложено проводить с помощью гумифицированной почвы, полученной анаэробной ферментацией эффективными микроорганизмами целлюлозо-лигниновых отходов (ЭМ-технологии) [3].
Для получения гумифицированного продукта по инновационной технологии (ЭМ-технологии) использовали сообщество эффективных микроорганизмов, которые содержатся в биологически активном препарате «Тамир», и целлюлозо- лигнинсвые отходы:пищевые отходы, промышленные (опилки), сельскохозяйственные (солома ячменя).
Препарат «Тамир» разработан на основе японского аналога ЭM Waste Treatment и предназначен для ускоренной утилизации бытовых и сельскохозяйственных отходов (остатков пищи, ботвы, сорных растений), а также для восстановления дренажа, устранения неприятных запахов. Основным преимуществом анаэробной ферментативной переработки целлюлозо-лигниновых отходов от других систем утилизации является минимальная затрата энергии на процесс ферментации и производство дополнительной энергии в виде биогаза. Установка получения гумифицированных продуктов занимает небольшую площадь и, благодаря герметичности ферментаторов, в атмосферный воздух не выделяются токсичные выбросы [4, 5]. Для перемешивания субстрата при ферментации используется гидравлическая система, система подачи биомассы в реактор в зависимости от влажности гумифицированного продукта осуществляется при помощи насосов (при 85 – 98 %-й влажности) или шнекового устройства (при 75 – 80 %-й влажности). Получаемый биогаз – побочный продукт производства, собирается во внешних газгольдерах и используется виде топлива на технологические нужды (подогрев воды в теплообменнике), что позволяет снизить долю энергетических затрат в себестоимости готовой продукции. В основе методологии количественной оценки факторов риска лежат принципы безопасного и стабильного функционирования экосистем путем регулярных наблюдений (мониторинга биосферы или техносферы) в пространстве и времени по приоритетным стандартным показателям безопасности.
По проведенным результатам исследования предложена модель управления процесса гумификации почв, в основе которой лежат методы биоконверсии техногенных отходов, гумификации почв, биотестирования, использование бобово-злаковых травостоев, метод меченых атомов-стабильного изотопа 15N.
В урожае второго укоса, в смешанном травостое почти одинаковое количество N почвы и удобрений, а в урожае злаков азота удобрений в два раза больше, чем азота почвы. Для усиления процесса гумификации необходимо создавать бобовые и бобово-злаковые травостои. Внесение гумифицированной почвы в техногенную почву повышает температуру почвы на 2…5°С, что ускоряет корнеобразование, всхожесть, цветение, плодоношение, урожайности овощных культур в 2…5 раз, зерновых и кормовых – на 10…50 %. Процесс рекультивации заканчивается формированием стабильного фитоценоза.