В природе биомасса растительного происхождения потребляется животными, отмирает и минерализуется на месте своего образования — на почве или внутри почвы. Лишь небольшая часть (1—2%) уносится водными потоками в низменности и моря. Поэтому углерод и другие биофильные элементы накапливаются в почвах.
Биомасса микробов и низших организмов, практически полностью фиксированная внутри почвы, отмирает и минерализуется в почве. Биомасса животных меньше привязана к почве. Биомасса птиц, летающих насекомых перемещается на многие километры. Биомасса почвенных животных (а она абсолютно преобладает на суше) также формируется внутри почвы и может мигрировать в пределах немногих метров. Поэтому метаболиты животных и продукты их разложения в конечном счете остаются на почве и внутри почвы. Исключение составляют птичьи базары, лежбища морских животных (тюленей, котиков, моржей), которые имеют свои «зоны жизни и смерти», где и образуются биогеохимические осадки экскретов типа
Равномерное распределение первичной биомассы, метаболитов, посмертных остатков, продуктов минерализации на поверхности суши и в почвах обеспечивало формирование гумусовой оболочки суши, т. е. известное постоянство и равномерность распределения и содержания органических соединений, органо-минеральных веществ и минеральных солей биогенного происхождения. Конечно, на планете были и сохранились природные географические различия в распределении, формах, функционировании живого вещества и гумусообразования.
Именно эта природная картина распределения биомассы и биогенных веществ разного типа была сильно нарушена, а в ряде мест полностью разрушена антропогенными воздействиями. Эти нарушения определяются в наше время особенностями роста и распределения населения, географией городов, земледелия и животноводства, индустрии и лесного хозяйства, обменом сырьем и продуктами, накоплением и распределением органических и минеральных отходов, ходом мировой торговли.
Деятельность человека, особенно в минувшее столетие, глубоко изменила биогеохимию и биогеографию живого вещества, биогеохимические потоки энергии, связанной в органическом веществе, и круговорот элементов, постоянно участвующих в обмене организмов и среды: углерода, кислорода, азота, фосфора, кальция, серы и др.
Скопление больших масс органического вещества и его замедленная минерализация способствуют дополнительному появлению в суспензиях, в коллоидных и истинных растворах низких концентраций разнообразных групп углеводов, аминокислот, липидов, пигментов, фенолов, хинонов. Появляются повышенные количества грибной и бактериальной микрофлоры, низших беспозвоночных. Отмечается новообразование витаминов и токсинов, гормонов и антибиотиков, гуминовых кислот и фульвокислот и т. д. (Кретович, 1972).
Мегагорода, порты, промышленные районы, крупные центры животноводства, густозаселенные территории явились зонами аккумуляции громадных масс органического сырья и продовольствия растительного и животного происхождения, бытовых, физиологических, промышленных органических отходов. К этому нужно добавить различные ископаемые горючие, продукты их переработки и использования, а также древесину, текстиль, шерсть и др.
Возникли новая география и геохимия органического вещества и новые, необычные для биосферы и почв прошлого агротехногенные и техногенные циклы органических соединений углерода, фосфора, азота. Нормальные фоновые циклы создания, движения и разложения органической массы оказались нарушенными.
Важнейшие изменения, внесенные человеком в биогеохимию органического вещества, следующие:
а) общепланетарный процесс перераспределения и гиперконцентрирования органики на сравнительно ограниченных территориях за счет ее отчуждения и вывоза с других, значительно больших по площади производящих территорий;
б) замедление нормальных процессов деструкции и минерализации аккумулированных масс органического вещества (результат ослабленного участия природных фитофагов);
в) увеличение масс грубодисперсного и малоразложившегося органического вещества, поступающего в водоемы на суше и в моря;
г) появление в растворах наземных и подземных вод токсических полициклических ароматических соединений.
Отмеченные коренные изменения вызвали и во многих случаях усилили загрязнение среды, эвтрофикацию водоемов и почв, развитие восстановительных реакций в местах супераккумуляции органических веществ (с образованием метана, аммиака, сероводорода).
Интересы будущего человечества заставляют искать решения проблемы управления массами органического вещества, вовлеченными в жизнь планеты. Точная количественная картина современного распределения органического вещества на суше еще не составлена, но можно считать, что органическое вещество поступает в очень больших количествах на сравнительно ограниченные площади суши и водоемов, где и создается локальное загрязнение.
Борьба с нарушениями природных потоков органических веществ и их вредными накоплениями должна вестись параллельно с борьбой с различными минеральными загрязнителями индустриального происхождения.
Насколько велика концентрация органических веществ в городах и промышленных регионах мира, можно судить по тому, что масса продовольствия и фуража исчисляется по зернопродуктам в 1,5 млрд. т в год, а по общей биомассе до 6 млрд. т (в сухом веществе).
Вес животных продуктов, потребляемых людьми ежегодно, превышает 550 млн. т, в числе которых около 41 млн. т белков. Сама биомасса населения человека и животных составляет 600—800 млн. т.
Безотходная и малоотходная «почти замкнутая» технология в индустрии, транспорте и городском хозяйстве по мере осуществления будет давать нарастающий положительный эффект, уменьшая загрязнение биосферы. Однако исключить отходы полностью никогда не удастся. И газоообразные, и жидкие, и твердые отходы, и побочные продукты всегда будут появляться и внедряться в окружающую среду. Дело заключается в учете и оценке отходов и в сознательно организованном использовании их в других областях хозяйства.
Земледелие, лесоводство, мелиорации ландшафтов — те области, где могут быть с успехом использованы многие отходы (теплая вода, углекислота, кислые и щелочные отходы, шлаки, пыль, зола, остатки строительных материалов и др.). Очень важно при этом сочетать использование загрязнителей индустриального происхождения с использованием отходов органических веществ и органических отбросов, обычно «пропитанных» живыми микро — и мезоорганизмами — разрушителями и минерализаторами мертвой органики.
Критический анализ проблемы привел экспертов ФАО к заключению, что главный загрязнитель вод — это смыв поверхностными водами мочи, навоза и гумуса, а также городские нечистоты, отходы и дорожная пыль (FAO, 1972).
Общее количество различных органических отходов и веществ, вовлеченных человеком в биосферу и локальные экосистемы, очень велико и измеряется, по-видимому, величиной порядка 10 · 109 т ежегодно (в сухой массе). Примерно столько же минеральных отходов.
Водная эрозия почв вовлекает ежегодно до 20 млрд. т почвенного мелкозема и гумуса, которые также загрязняют водоемы, озера, устья рек и для разложения и окисления требуют значительных количеств кислорода. Даже в условиях полуоблесенного ландшафта Северо-Запада СССР за время весеннего снеготаяния смывается с полей и уносится в реки с гумусом и мелкоземом: азота (N) — от 5 до 30 кг/га, фосфора (Р2O5) — от 70—95 до 150—170 кг/га, калия (К2O) — от 60 до 120 кг/га. Это, конечно, вызывает локальную эвтрофикацию, накопление органики, анаэробиозис с появлением сероводорода, метана, сульфидов, окислов азота. Еще большее отрицательное влияние оказывают отходы крупных центров животноводства, сбросы городских нечистот в депрессии и в местную гидрографическую сеть.
Растущая численность и плотность населения в современных больших городах приводят к огромной концентрации разлагающихся органических отходов. В среднем один человек производит около 1250 г фекальных экскретов ежедневно, или около 0,5 т в год. При населении планеты в 4,5 млрд. получается ежегодно более 2 млрд. т фекальных отходов, содержащих около 30—50% углерода, 3—5% азота и 0,2% фосфора. Одна корова дает в 15 раз больше экскретов, чем человек (Russell, 1972). В год каждая корова производит в среднем 10—15 т органических отходов, содержащих 5—6 т углерода, 30—45 кг азота и 15—20 кг фосфора. Отходы птицеводческих фабрик в 2—3 раза богаче азотом и фосфором, и количество этих отходов исчисляется также многими миллионами тонн.
Общая сумма таких органических отходов на планете, вероятно, достигает 35—40 млрд. т ежегодно. Если эти отходы не компостируются и не используются для производства удобрений или газа для топлива, то они превращаются в важнейший источник загрязнения среды и особенно почв и вод, вызывая локальный дефицит кислорода и анаэробные явления.
Ценнейшие питательные вещества — соединения азота, фосфора, калия, кальция, микроэлементов, входящие в состав органических отходов городского и сельского хозяйства, должны быть повторно и многократно использованы в земледелии в качестве удобрений. Общество не должно допускать растраты и потери этих ценностей.
Известный английский исследователь Кук (Cooke, 1971) убедительно показал необходимость возможно более полного использования экскретов животных и человека в качестве органических удобрений. Он мотивировал эту необходимость расчетами, показывающими, что большая часть углерода, азота и практически весь фосфор и калий урожая постепенно уходят из почв на питание человека и животных, а в дальнейшем теряются для земледелия в речных стоках и морских водах.
Отходы животноводства в Англии в настоящее время могут обеспечить всю пахотную площадь страны азотом в размере около 125 кг/га, соответствующим количеством фосфора 70 кг/га и калия — около 125 кг/га К2O (Cooke, 1971). Эти величины приняты в Англии для планирования потребностей в удобрениях на 2000 г., когда намечается в среднем удвоить валовую продукцию земледелия. Использование органических отходов и особенно навоза позволит при этом ограничиться к 2000 г. лишь удвоением производства азотных удобрений и не увеличивать производства фосфорных и калийных минеральных удобрений (Cooke, 1971).
Итак, использование органических отходов в качестве удобрений экологически и экономически целесообразно. Особенно положительный эффект, как показал индийский ученый Дар, достигается при внесении компостов органических отходов совместно с костной мукой или томасшлаком.
Скелеты животных содержат до 16—18% фосфора (на сухую массу). Локально это может приводить к повышенному содержанию фосфора в почвах и водах. В прошлом мука из костных остатков использовалась в качестве удобрений. Необходимо возродить этот промысел как в агрономических, так и в биосферно-санитарных целях.
Шлаки металлургического производства также содержат значительные количества фосфора (томасшлак — до 20%) и в недавнем прошлом использовались в качестве удобрений. Ныне эти источники фосфора используются недостаточно.
В нашу эпоху дефицита фосфора и борьбы с эвтрофикацией фосфорсодержащие шлаки, костную муку, компосты и туки на основе навоза и городских отбросов необходимо широко использовать в земледелии. Исследования Дара в Индии и других странах показали эффективность названных приемов в дополнительной фиксации азота почвами, удобренными фосфорсодержащими шлаками, органическими отходами, и полезность этого мероприятия как средства самоочищения окружающей среды.
Нельзя, конечно, упрощать выполнение этих мероприятий. Органические отходы могут быть загрязнены токсическими соединениями или патогенными организмами. Здесь нужны научный подход, экспертиза и контроль. В частности, необходимо не перегружать «деструктирующую и ассимилирующую силу» самих почв в отношении вносимых местных органических удобрений и компостов. Отрицательные явления такого характера наблюдались, например, в Англии и были предметом исследований ученых Ротамстедской опытной станции.
В итоге исследований Г. Кука и Р. Вильямса (Cooke, Williaws, 1970) установлено, что рациональное использование органических отходов животноводства и птицеводства должно базироваться на оптимальном соотношении числа животных и площади удобряемых почв. Для удобрения 1 га следует использовать отходы от 2—3 дойных коров, или от 5 телок, или от 25 свиней, или от 250 индеек, или от 2500 кур (бройлеров). Большая концентрация животных приводит к избытку органических веществ, азота, фосфора и сопровождается загрязнением местности и вод.
Особую статью в балансе антропогенного углерода, фосфора, азота и других элементов составляют твердые бытовые отходы, которые по стандартам США составляют в год на одного человека около 1—2 т. В масштабе планеты это может выражаться величиной 6—8 млрд. т. Из них до 50% приходится на долю органических веществ разного рода, которые целесообразно использовать.
Нефтеперерабатывающие заводы, мясомолочные предприятия, сахаро — и пивоварение, спирто-винные и крахмальные производства также дают большие массы органических отходов. Большую часть этих отходов сбрасывают в низины, реки, озера, моря. Очень большие количества органического вещества в виде древесины, обрезков, веток, опилок и пр. дает рубка и трелевка леса, водный сплав бревен, лесопильные предприятия. Считается, что на каждые 300 пог. м досок создается не менее 2,5 т древесных отходов, из которых около половины составляют кора и опилки (FAO, 1971).
Органическое вещество отходов лесного хозяйства, включающее углерод, азот, фосфор, кальций, калий, кремний, поступает с поверхностным стоком преимущественно в воды рек, озер, морей, а также в аллювий пойм и дельт, в донные отложения водоемов. Значительная часть сжигается, давая CO2 и золу. Последняя опять-таки уносится в водоемы. В совокупности все это ведет к увеличенному и ускоренному поступлению органических веществ (вместе со многими неучтенными другими компонентами) в гидросферу, в аллювиальные, дельтовые и донные осадки.
Там, где не загрязненные ртутью, свинцом или биоцидами органические вещества попадают в аллювиальные и дельтовые почвы, повышается их продуктивность. Там, где органические отходы используются как местные удобрения (например, в Японии, Китае, Египте, Индонезии), почвы обогащаются углеродом, азотом, фосфором и другими биофилами и продуктивность земледелия не уменьшается. Но в большинстве стран, особенно в индустриально развитых, органические отходы сбрасываются в овражно-речную сеть и в водную среду. Происходит эвтрофикация водоемов: острый дефицит растворенного кислорода вследствие расхода на окисление органических веществ, избыточное минеральное и азотное питание водорослей и микроорганизмов, денитрификация, десульфирование с образованием сероводорода, метана, этилена, зловоние, гибель рыбы и других животных, населяющих водоемы, заболевание людей и животных, потребляющих эту воду.
Необходимо преодоление последствий стихийно сложившегося антропогенного геохимического «потока» органических веществ в зоны городов, плотного населения и водоемы. Этот антропо-геохимический поток отходов органического углерода и азота должен быть направлен от городов и индустриальных зон с высокой плотностью населения на фабрики компостов и удобрительных туков, а затем распределяться на поля, пастбища, сады, леса для возврата углерода и других биофилов в биологические круговороты суши и полей. Эта операция потребует научных обоснований, капиталовложений, специальной санитарно-биосферной, агросанитарной службы. Но все эти трудности преодолимы и экономически оправданны.
Весьма существенной является проблема подготовки органических отходов и их разложение. Некоторые компоненты, такие, как дерево, опилки, картон, бумага, могут сохраняться годами, особенно в сухой почве. Наиболее стойки в этом отношении остатки пластмасс. Растительная органика разлагается в почвах в течение недель и месяцев, но избыток углерода может вызвать дефицит азота для урожая. Присутствие гельминтов и патогенных микроорганизмов заставляет быть особенно осторожными при рециклировании отходов. Поэтому лучшим вариантом было бы предварительное обязательное компостирование отходов. При этом важно использовать работу грибов и насекомых как разрушителей стойких органических материалов и для уничтожения вредных и опасных организмов. Компостирование необходимо также для разложения возможных фитотоксинов, антибиотиков, терпенов, фенолов, резин, а также семян сорняков.
Документы ФАО (FAO, 1971) убедительно показывают, что регулярное внесение навоза или органических остатков в количествах 30—40 т/га увеличивает содержание углерода, гумуса и запасы азота и фосфора в почвах. Предпочтительнее вносить органические удобрения дозами, не меньшими 2,5—3,0 т/га, несколько раз в год, что дает наибольший эффект на почвах и на урожаях.
Вопрос использования органических отходов в земледелии осложняется высокой стоимостью их сбора, сортировки, подготовки и заделки в почву. Эксперты ФАО (FAO, 1971) считали, что в капиталистических странах цена подготовки и внесения компостов порядка 20—70 долларов за тонну экономически не оправдывается урожаем. Именно по этим причинам фермеры иногда даже даром не берут птичий помет или навоз с крупных индустриальных предприятий. Минеральные азотные и фосфорные удобрения в общем с коммерческой точки зрения влияют на урожаи трав или зерна не хуже, а иногда лучше и быстрее. Техника их использования проще, а стоимость до недавнего времени была меньше. Однако в настоящее время цены на минеральные удобрения выросли в 5—6 раз и применение органических удобрений стало рентабельным. Больше того, фермеры США, Канады, Англии ныне делают ставку на organic farming, т. е. на минимальное применение в земледелии минеральных удобрений, химических препаратов и на максимальное использование органических удобрений и введение бобовых в севообороты. Последние годы убедили всех, что охрана почв и расширенное воспроизводство их плодородия требуют постоянного обогащения их органическим веществом.
Вопрос применения в земледелии и лесоводстве органических отходов следует рассматривать как с точки зрения санитарно-биосферной, так и долговременных интересов сохранения и использования почвенных и водных ресурсов, а также здоровья населения. Расходы по регистрации и использованию органических и минеральных отходов должны включаться в стоимость производства продукции и содержания санитарной службы страны.
Реутилизация органических отходов в сельском и лесном хозяйстве выправит нарушения в биогеохимическом круговороте углерода, азота, фосфора и других биофилов, улучшит санитарное состояние окружающей среды, ослабит явления эвтрофикации гидросферы и локальный дефицит кислорода в водах. Внесение органического углерода и почвы улучшит азотный режим почв, так как каждый грамм углерода удобрений способствует фиксации от 15—20 до 20—40 мг атмосферного азота (Dhar, 1968). Значительно увеличится и содержание фосфора, сырьевые запасы которого в мире ограничены.