Экологическая роль плодородия почв
7.1. Экологические функции и плодородие почв
Отношение людей к земле всегда носило двойственный характер. С одной стороны, исторически сложившееся понятие у крестьянина о земле как о “кормилице”, требующей бережного отношения, с другой – насущная необходимость получения сельскохозяйственной продукции часто вынуждала эксплуатировать земельные угодья чрезмерно интенсивно, вплоть до частичной или полной потери плодородия.
В истории человечества неоднократно случались экологические катастрофы, связанные с деградацией почвенного покрова в результате неправильного использования земли, – просчетов при мелиорации, химизации, применения агротехники и т.п., что в конечном итоге всегда было связано с недостаточностью знаний о специфике функционирования почвы как сложного биокосного природного тела. Кроме того, земельные отношения – вопросы собственности, купли-продажи, аренды и т.п. всегда являются ключевыми в государственной и социальной политике всех стран.
На настоящем этапе общество стоит перед сложной проблемой глобального характера – резким снижением естественного плодородия, деградацией и опустыниванием почв. С этих позиций разработка научно-обоснованных систем управления землепользованием – весьма актуальная задача. Решение этих проблем должно базироваться на достижениях аграрных наук и фундаментального почвоведения.
Почва является “самостоятельным естественно-историческим органоминеральным природным телом, возникшем на поверхности земли в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящим из твердых минеральных и органических частиц воды и воздуха и имеющим специфические генетико-морфологические признаки, свойства, создающие для роста и развития растений соответствующие условия” (ГОСТ 27593-88).
Прежде всего необходимо понять и осознать роль почвы в биосфере, ее качественной связи с факторами почвообразования [1, 2]. Главная экологическая функция почв состоит в том, что они являются средой обитания огромного разнообразия живых организмов: растений, микроорганизмов, животных. Именно в почве происходит взаимодействие биологических и геологических круговоротов; здесь преобразуются продукты распада животных и растений, т.е. происходит процесс минерализации, необходимый для питания и роста растений. Почва служт регулятором водного режима. Экологические функции естественных почв определяются тремя группами их свойств:
физическими (плотность, порозность, удельная поверхность, водопроницаемость);
химическими (химический состав почв, ила, физико-химические свойства, рН, сумма и состав обменных катионов, количество доступных для растений питательных веществ);
биологическими (общим количеством и комплексным функционированием).
Почва обладает важнейшим свойством – плодородием, что является основой всей жизни биосферы, в том числе и человека. В современном представлении плодородие трактуется как интегрирующий системный показатель почвенных процессов и свойств в их взаимосвязи со всеми параметрами экосистемы, в результате чего в почве накапливаются ресурсы вещества, энергии и информации, которые используются растениями. Это свойство исключительно важно для жизни всех живущих на суше организмов, в том числе и для человека, поэтому плодородие считается глобальной экологической функцией почв.
Плодородие формируется в результате почвообразовательного процесса, поэтому отличается динамичностью (сезонной, годовой и т.п.), что может проявляться в виде простого, расширенного или неполного воспроизводства.
Воспроизводство плодородия обеспечивается совокупностью природных почвенных процессов или целенаправленным антропогенным воздействием.
Расширенное воспроизводство плодородия обеспечивается интенсивными антропогенными воздействиями для поддержания эффективного плодородия на уровне, превышающем потенциальный.
Неполное воспроизводство плодородия наступает при нерациональном антропогенном воздействии, снижающем почвенное плодородие ниже исходного. В таких случаях начинаются процессы деградации почв.
Оптимизация почвенного плодородия основана на комплексе мер, обеспечивающих оптимальные условия возделывания сельскохозяйст-венных культур, при бездефицитном энергетическом балансе выража-ющиеся через почвенные режимы и свойства [3].
Для познания эволюции почвенного покрова в естественных условиях необходимо ориентироваться на процессы, происходящие в почвенном профиле в условиях естественных ценозов, которые принимаются за эталон. При управлении агроценозами, где основное внимание уделяется плодородию, соответственно устанавливаются эталоны плодородия почв.
Эталон плодородия почв – локальная (региональная) модель почвенного плодородия, состоящая из системы взаимосвязанных блоков, включающих набор почвенных параметров состава, свойств и режима оценки плодородия, агроклимата, а также блока управляющих приемов агромелиоративного комплекса (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Блоки агроэкологического эталона состояний почвенного плодородия [Булгаков Д.С., Апарин Б.Ф., 1999]
Природно-идентификационный блок определяет уровень фактического и перспективного плодородия; оценочный блок содержит информацию об уровне плодородия почв и продуктивности культур; блок агроуправляющих воздействий ориентирован на выдачу рекомендаций приемов изменения параметров почвенных свойств.
Цель работы такой системы – на основании установления состояния плодородия почв конкретной территории, выявления направления изменения почвенных свойств указать землепользователю на необходимость применения определенных технологических приемов, способствующих достижению экологической и экономической выгоды при размещении сельскохозяйственных культур [3].
В последние 2 – 3 десятилетия специалисты все больше стали акцентировать внимание на развитии процессов деградации и опустынивания. В Конвенции ООН по борьбе с опустыниванием (1996) под этим процессом понимается деградация земель в аридных, семиаридных и засушливых субгумидных регионах в результате действия различных факторов, включая изменение климата и деятельность человека. Деградация означает снижение ресурсного потенциала в результате воздействия на земли одного или комплекса процессов. Главными антропогенными факторами здесь выступают: нерациональное пастбищное землепользование, сведение древесно-кустарниковой растительности, дорожно-коммуникационное строительство, добыча ископаемых, ирригационные работы, неорганизованная рекреационная деятельность и др., что ведет к появлению ветровой, водной эрозии, засолению, заболачиванию, загрязнению почв, обеднению биоразнообразия [4, 5].
Сочетание нерегламентированного антропогенного воздействия, естественной неустойчивости природных систем, неблагоприятных климатических условий усугубляет и ускоряет процессы деградации и опустынивания земель.
На рис. 7.2 показана схема взаимодействия факторов, агентов, условий и результатов опустынивания.
Общая площадь земель России, подверженных процессам опустынивания или потенциально опасных в этом отношении, составляет по разным оценкам от 50 до 100 млн га. Процессы опустынивания или условия, предопределяющие их опасность, отмечаются в более чем 20 субъектах Российской Федерации. Наиболее интенсивно опустынивание земель проявляется на территории республик Калмыкия и Дагестан, Астраханской, Ростовской областей. В республике Калмыкия процесс опустынивания охватил более 82% площади земель, из них более 47% находится в стадии сильного и очень сильного опустынивания.
Почвы являются универсальным регулятором состояния природной среды, объектом природного разнообразия. Деградация почв, как правило, ведет к нарушению функционирования целых экосистем. Поэтому оценку состояния почвенного покрова и принципы управления его использованием необходимо положить в основу национальной природной политики [6].
Агенты + процессы = причины опустынивания
Объект + регуляторы = условия опустынивания.
Рис. 7.2. Схема взаимодействия факторов, агентов, условий и результатов опустынивания [Куст, 1999.]
Источник
Научная электронная библиотека
18. Экологические функции почв
Земля – источник сил глубокий
И свойств таинственный запас
Из почвы нас пронзают токи,
Неотличимые на глаз.
Описание важнейших экологических функций почв приведено в работах известных российских ученых. Ученые обосновали наличие в почве биосферных, литосферных, атмосферных и гидросферных и энергетическихфункций, а также установили, что жизнедеятельность живых организмов на 90 % сопряжена с почвой (2000). В. М. Фридланда (1977), Г. В. Добровольского, Е. Д. Никитина (2000), Д. С. Орлова и др. (2001)
Экологическое состояние почв – степень их соответствия природно-климатическим условиям почвообразования и пригодности для существования естественных и антропогенных экосистем (Березин и др., 2002). «Под экологическими функциями почв понимаются такие их свойства, которые влияют на условия жизни на Земле во всем ее разнообразии» (Добровольский и др., 2012, с. 21). Классификация функций почвы дана на рис. 71 (Шоба и др., 2012).
Любая «здоровая» почва, не зависимо от ее типа, выполняет целый ряд экологических функций. Рассмотрим основные.
Литосферная. Почва аккумулирует солнечную энергию, передает ее вглубь литосферы, защищает недра от жесткого космического излучения, преобразует ее верхний слой.
Атмосферная. Почва поглощает и отражает солнечную энергию. Регулирует влагооборот и газообмен. Почва дышит как человек – поглощает кислород, выделяет углекислый газ. Почвенный воздух обеспечивает растения углекислым газом только при условии его постоянного обмена с атмосферным. Процесс выделения почвой СО2 так и называется – дыхание.
Гидросферная. Почва перераспределяет поверхностные воды – часть их трансформируется в грунтовые, а часть стекает по уклону. Эти воды участвуют в формировании речного стока. Биофильные элементы питания (С, N, Р, К, Са и др.) поступают в океан с водами поверхностного (почвенного), а затем и речного стока.
Рис. 54. Основные функции почвы как базового компонента окружающей природной среды
Энергетическая. «Почва лежит на перекрестке всех потоков энергии, через нее проходит почти все тепло, посылаемое солнцем на сушу», – писали ученые (Фридланд, Буяновский, 1977, с. 9). Биомасса растений служит источником энергии для травоядных. В почве обитают микробы, насекомые, грызуны – все это пища, а значит, и источник энергии.
• Почва является связующим звеном геосферы, гидросферы, атмосферы.
• Почва – неотъемлемая и наиболее «консервативная» часть экосистем, обеспечивает существование жизни на Земле, является средой обитания, убежищем, жилищем.
Рис. 72. Среда обитания и пища
• Какими бы не были пищевые цепи, они начинаются и заканчиваются в почве. На 90 % жизнедеятельность живых организмов связана с почвой (рис. 72-75).
Рис. 74. Урожденные почвой
Рис. 75. «Источник» жизни
Информационная. Почва не только самый консервативный элемент экосистемы, ее «фундамент», но и «банк» информации об эволюции экосистем. Информация фиксируется в генетических горизонтах, новообразованиях, включениях. Почва регулирует сезонные процессы, численность и структуру биоценозов (Вальков и др., 2001).
Санитарная (средозащитная). Санитарные функции почв очень многообразны. Приведем некоторые из них. Известно, что еще в 1880–1890 гг. немецкие ученые опубликовали свои работы, посвященные этой теме. Это Й. Фодор «Гигиена почвы» и М. Петенкофер «Почва и ее влияние на здоровье человека».
Защита сопредельных сред (рис. 76):
– От твердых поллютантов. Почва является сорбционным барьером. В ней выделяют пять видов поглотительной способности, которые действуют одновременно. Это мощный механизм накопления любых соединений. Она веками удерживает поллютанты и ксенобиотики, защищая собой сопредельные среды и биоту от токсикантов. Период полуудаления кадмия изменяется от 13 до 110 лет, цинка – в диапазоне 70–510 лет, меди – в интервале от 70 до 510 лет, свинца – в течение 740–5900 лет (Орлов, Гришина, 1981).
– От жидких форм поллютантов. Почва – мощный фильтр очистки воды и водных растворов, она обладает высокой способностью связывать химические элементы. Почва длительное время «удерживает» загрязняющие вещества с помощью сорбционных барьеров и поглотительной способности.
– От инфекций. Возбудители тифа, паратифа, дизентерии живут в почве не более двух суток. Но если почва нарушена, могут сохраняться в ней в течение двух лет.
– От болезней. В почвенной микрофлоре содержатся микроорганизмы, которые используют для приготовления антибиотиков и патогенных возбудителей столбняка, сибирской язвы. Лечебный эффект основан на том, что одновременно действуют разные факторы: механические, физические (активная удельная поверхность, термические свойства), химические (основные элементы, гумус, гормоны), биологические (бактерии, грибы, антибиотики) компоненты (Безуглова, 2009).
«По микробному генофонду почва, вероятно, самый богатый субстрат. Недаром при поиске микроорганизмов – продуцентов определенных ценных веществ (антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот) – в большинстве случаев обращаются к почве, как наиболее надежному источнику разнообразных микробов» (Звягинцев.1987, с. 154).
К санитарной функции почв Г. В. Добровольский с соавторами относят способность почв к сорбции, преобразованию загрязнителей (2004).
Самозащита от отравления. У живых организмов выделяют четыре основных механизма защиты от поллютантов: систему барьеров, механизмы выведения, ферментные системы и депонирование. Аналогичные механизмы есть и у почвы (Околелова, 2004, 2011).
– Система барьеров препятствует проникновению ксенобиотиков во внутреннюю среду. Сорбционные барьеры характерны для гумусовых и иллювиальных горизонтов почв, зон контактов горизонтов с различным гранулометрическим составом.
Почвоведы к ним относят геохимические барьеры, в которых происходит избирательное накопление одних элементов и удаление других.
– Механизмы выведения поллютантов. Процессы миграции в почвах постоянны. Можно выделить следующие «транспортные» системы, механизмы миграции (выведения) элементов: вертикальная миграция (зависит от гранулометрического состава и водного режима); латеральная (от автономных ландшафтов к подчиненным); механическая (с поверхностными водами и в результате дефляции); биологическая (при участии живых организмов).
– Ферментные системы. У живых организмов эти системы превращают токсиканты в менее опасные соединения, которые, затем, легко удаляются из организма. Ферменты также катализируют разрыв химической связи в молекуле загрязнителя или способствуют образованию нового соединения.
В почве аналогичную роль выполняют микроорганизмы, а также весь спектр биоорганических и минеральных соединений, которые химически взаимодействуют с поступающими элементами.
Рис. 75. Сорбционные барьеры
– Депонирование. Аккумуляция вредных веществ в почве происходит с образованием органо-минеральных соединений, закреплением в почвенно-поглощающем комплексе. Сроки подобного сохранения (депонирования) – десятки и даже сотни лет. Максимальное накопление свойственно почвам аккумулятивных ландшафтов.
Выполняя санитарные функции почва защищает все сопредельные среды, всю биоту «собой», собственным здоровьем. Проблема диагностики которого до настоящего времени не решена (Janvier, 2007).
«Здоровье почвы – способность почвенной биосистемы (педоценоза) в заданных пространственных границах поддерживать продуктивность растений, животных, приемлемое качество воды и воздуха, а также обеспечивать здоровье людей, животных и растений. Здоровая почва не содержит техногенные радионуклиды, ксенобиотические и природные поллютанты, а также фитопатогенные агенты сверх допустимых санитарно-гигиенических, экологических и фитосанитарных нормативов» (В. В. Добровольскому с соавторами, 2012, с. 364).
Плодородие почв – способность почв удовлетворять потребности растений в элементах питания (N, Р, К), обеспечивать их корневые системы водой, достаточным количеством тепла и влаги. Почва способна к воспроизводству этого общего и важнейшего своего качества. «С позиций экологии, плодородие – следствие биологического круговорота биофильных элементов» (Апарин и др., 2006, с. 172).
Природное или естественное плодородие – состояние почв с естественным почвообразованием. Создается тысячелетиями в результате есС-тественного биологического процесса (рис. 76).
Рис. 76. Плодородие почв
По выражению В. Р. Вильямса: «Горная порода, чтобы стать почвой, должна развить два новых свойства, которые составляют существенный признак почвы – ее плодородие. Она должна приобрести способность к образованию и сохранению запаса воды . сконцентрировать и удержать необходимый для развития растений запас элементов их зольной и азотной пищи» (1947, с. 37).
Искусственное плодородие – создание длительного плодородия за счет антропогенного воздействия (рис. 77).
Рис. 77. Искусственное плодородие
Плодородие проявляется в двух формах:
– в продуктивности (урожайности) произрастающих на ней культур, в количестве синтезируемой биомассы. Плодородие разных почв сравнивают по многолетней урожайности растений при равных экономических затратах.
– богатстве элементов питания, гумусом, растительно-экологи-ческом равновесии и их количественно-качественных особенностях.
Потенциальное плодородие – способность почвы в благоприятных условиях (оптимальные для растений водный, воздушный и тепловой режимы) длительное время поддерживать необходимое количество питательных элементов, обеспечивая высокий уровень эффективного плодородия.
Экономическое (совокупное, эффективное) плодородие – сумма двух первых, отражающая возможность почв продуцировать биомассу.
В начале прошлого века среди ученых велись дискуссии: можно ли почву считать живым организмом. Пришли к выводу, что нельзя, потому что для этого ей «не хватает» одного свойства – репродуктивной способности.
Экономическая функция. Почва-земля – основное средство производства и природный ресурс одновременно. Она, в отличие от других средств производства, одновременно выполняет функции предметов труда (выращивание культур) и орудий труда (воздействие на почву для получения урожая нужного качества и количества).
«В настоящее время, когда обществом признается (экономически и законодательно) только две экономические функции почв – плодородие и место для размещения жилищных, производственных и других объектов, нет и не может быть иных экономических оценок почв, кроме тех, которые учитывают показатели этих функций. Все рассуждения почвоведов о важности других биосферных и потребительских качеств почв останутся лишь предметом теоретических исследований до тех пор, пока эти качества (реальные или потенциально возможные) не получат экономического и /или самостоятельного выражения» (Добровольский и др., 2012, с. 333).
Как результат труда почва не должна стать хуже, потерять естественное плодородие. Только земля, почва в отличие от техники и сооружений не создана человеком и ничем не заменима. Поэтому в первозданном виде «бесценна» – не имеет стоимости.
При отводе земли на сегодняшний день в ее цену, в первую очередь, входит близость и развитость инфраструктуры, в последнюю – качество. Почва – актуальный экономический ресурс. Ее рассматривают как объект недвижимости (Макаров и др., 2008).
Сельскохозяйственная. Главный ресурс агроэкосистемы – почва. Какие бы виды сельскохозяйственных угодий на ней не размещали, основные – растениеводство и животноводство, не мыслимы без учета качества почв и ее плодородия. «Тот, кто сумеет вырастить две травинки или два початка кукурузы, на том месте, где прежде произрастал лишь один, больше заслуживает благодарности человечества и оказывает более существенную услугу свое стране, чем все политики вместе взятые» (Дж. Свифт, 1726).
Системный ресурс. Почва – системный ресурс, в первую очередь, природный и экономический. «Системный ресурс – это внутренний эволюционный запас системы, позволяющий ей совершать энергопреобразования определенного объема» (Веллер, 2012, а, с. 268).
Исходя из определения понятия «почва» саму почву можно считать эволюционным ресурсом, продуктом эволюции. Почву можно рассматривать и как адаптационный ресурс. По М. Веллеру это качественный и количественный запас психофизиологических возможностей организма адаптироваться к изменению условий существования
( 2012, в, с. 167). Точно также можно сказать о возможности почвы адаптироваться. Качественный и количественный состав органических остатков, поступающих в почву, зависит от вида биоморфов и изменяется в очень широком диапазоне. Например, в молекуле лигнина хвойных деревьев преобладает кониферил, лиственных – синан, травах – кумаровые спирты.
Природные ресурсы (естественные) – объекты и силы природы (природные блага), общественная полезность которых изменяется в результате трудовой деятельности человека. Их используют в качестве средств труда, источников энергии, сырья, материалов, условий жизни, в том числе и почву.
Природные ресурсы классифицируются по ряду признаков, основная классификация – по исчерпаемости и возобновимости.
1). Возобновимые – ресурсы, создаваемые текущим потоком солнечной энергии, способные к восстановлению за время, соизмеримое со сроками их потребления. К ним относят: зоологические, биологические ресурсы, соли и другие минеральные ресурсы, осаждающиеся на дне морей, озер. Природные ресурсы биосферы, нуждаются в мерах по охране и воспроизводству.
2). Относительно возобновимые – ресурсы, обладающие способностью к самовосстановлению в течение очень долгого времени (почва, лес, вода).
3). Невозобновимые – ресурсы, возникающие на определенных этапах геологических процессов, а также выпавшие из биосферного круговорота и погребенные в недрах продукты прошлого – осадочные породы, ископаемое топливо. Они включают и уникальные ресурсы, для которых в природе нет аналогов. К ним относят большинство минерально-сырьевых ресурсов.
Для оставшихся в недрах природных ресурсов безразлично, сколько их извлечено. А для почвы, леса, живого, где все взаимосвязано, степень изъятия имеет огромное значение.
Экологические ресурсы, ресурсы природной среды, окружающей человека – это часть природных ресурсов, включая почву, совокупность средообразующих компонентов, обеспечивающих экологическое равновесие в биосфере и нормальную среду обитания человека.
Почвенно-земельные – ресурсы сельскохозяйственных угодий или почвенного покрова вне зависимости от форм использования. «Одной из важнейших экологических функций почвы является генерирование и сохранение биологического разнообразия», – считает А. С. Владыченский (2004, с. 102). Цитаты ученых, специалистов и экологов указаны на рис. 78.
В 1924 г. образовано Международное общество почвоведов. Первый международный конгресс проходил в 1927 г. в США, второй, в 1930 г. – в Москве. Отклик этого события можно найти в знаменитом романе «Золотой теленок» И. Ильф и Е. Петров. Там описан эпизод, когда О. Бендера второй раз не пускают в московскую гостиницу, поскольку она занята вернувшимися из экспедиции участниками международного симпозиума почвоведов. Он стал бить себя в грудь и сказал администратору: «Я сам в душе почвовед!».
Источник