III.2. Изменение почв при деградации

Деградация почв может отмечаться при несбалансированном воздействии на почву, как вещества, так и энергии и информации. Важно, что потоки вещества, энергии и информации должны уравновешиваться и на более высоких иерархических уровнях, поля, ландшафта, бассейна.

При деградации системы почва-растение протекает последовательно несколько этапов. Сначала отмечается уменьшение степени адекватности ответных реакций системы на внешние воздействия. Затем нарушаются взаимосвязи. В последующем проявляется нарушение энергетики, затем вещественного состава. Как заключительный этап, происходит нарушение процессов саморегулирования и саморазвития, закодированных в памяти почв и растений.

К деградации более устойчивы сложные системы. Естественные ценозы, содержащие большое число видов растений, более устойчивы к стрессовым ситуациям и антропогенным воздействиям, чем культурные ценозы. Чем более сложен фракционный состав соединений ионов в почвах, тем она более устойчива к факторам, изменяющим их подвижность. Устойчивость почв к деградации возрастает при наличии в них нескольких геохимических барьеров.

Для почв и биоты в процессе деградации характерно нарушение механизмов ответных реакций системы на внешние воздействия, упрощение системы и потеря ей энергии и информации. При интенсивной деградации все более упрощается и матричная функция почв и ее компонентов. При этом уменьшается разнообразие почв в пространстве и их свойств в пределах почвенного профиля; уменьшается разнообразие растительного покрова, адаптированного к отдельным почвам, элементам рельефа, гидротермическим условиям. В целом отмечается уменьшение разнообразия экологических ниш и, как следствие, разнообразия биоты, в том числе в пространстве и во времени. Уменьшение биологической продуктивности является также следствием уменьшения биоразнообразия и появления в напочвенном покрове резко ограниченного числа видов с ограниченными адаптационными возможностями.

Для почв при деградации наблюдается уменьшение биопродуктивности систем, плодородия почв, уменьшение КПД использования фотосинтетически активной радиации и антропогенно затраченной энергии, как на повышение урожая, так и на воспроизводство плодородия почв. Произошедшие изменения сопровождаются уменьшением адекватности ответных реакций системы на внешние воздействия окружающей среды и на антропогенный прессинг. В конечном итоге, это приводит к разбалансировке системы, а именно, к нарушению естественных структурных взаимосвязей в системе, к увеличению степени аддитивности ее компонентов. Наблюдающееся увеличение степени несоответствия системы внешним условиям соответствует увеличению разомкнутости петли гистерезиса - изменению свойств почв от факторов внешней среды, уменьшению эластичности, надежности и долговечности системы. В практическом плане, это приводит к изменению свойств, процессов и режимов почв, агроэкосистем, к нарушению процессов их саморегулирования и саморазвития. При этом возникающие изменения связаны с трансформацией и миграцией не только вещества, то также энергии и информации.

При оценке деградации почв и ландшафтов перспективно их рассматривать, как самоорганизующиеся и «живые» системы, состоящие из большого количества подсистем различной степени подчиненности (Башкин В.Н., 1993; Добровольский Г.В., 1986; Карпачевский Л.О., 1993; Трофимов В.Т., 2000; Черников В.А., 2000). Необходимо рассматривать почву: 1) как исторически сложившееся биокосное тело; 2) как средство сельскохозяйственного производства; 3) как избирательную полупроницаемую мембрану; 4) как защитную оболочку литосферы; 5) как сорбент, в котором происходит трансформация потоков вещества и энергии из всей экологической системы. Деградация почв, как средства сельскохозяйственного производства, это потеря плодородия почв и продуктивности земель. Деградация почв, как исторически сложившегося тела – это уменьшение накопления энергии, увеличение энтропии системы, уменьшение ее надежности, эластичности и долговечности.

Почва выполняет значительное количество экологических функций. Ухудшение или деградация одной функции не всегда соответствует ухудшению других экологических функций. Так, например, подщелачивание среды приводит к уменьшению биопродуктивности, но часто – к увеличению буферности почв по отношению к загрязнению их тяжелыми металлами, т.к. они при таких условиях образуют трудно растворимые осадки. Критерии деградации, с точки зрения выполнения ими разных экологических функций, также неодинаковы. Так, развитие подзолообразования в таежно-лесной зоне соответствует деградации окультуренных почв, но в то же время соответствует приближению почв к условиям равновесия с внешними факторами, естественной эволюции почв.

При экологической оценке деградации почв рассматривают следующие показатели: факторы деградации, виды деградации, взаимовлияние процессов деградации, мощность деградационных воздействий, скорость деградации, этапы деградации, устойчивость почв к деградации, степень деградации, обратимость деградационных изменений. С практической точки зрения, необходимо оценивать уровень воздействия факторов, вызывающих деградацию, степень изменения почв, возможность восстановления почв, пути оптимизации обстановки.

Деградация почв зависит от внешних, воздействующих на нее природных и антропогенных факторов. Деградация почв может возникать за счет резкого изменения естественных потоков вещества и энергии в системе почва - окружающая среда. В конечном итоге, деградация наступает при превышении буферной емкости почв и ландшафтов по степени распашки территории, ее застройки, использовании для технических нужд, по уровню антропогенного воздействия веществом и энергией. Она также наблюдается при превышении допустимого уровня степени открытости термодинамической системы почва-растение, превышении допустимого порога механического воздействия, доз удобрений и ядохимикатов, биопродуктивности, уровней отчуждения элементов с урожаем и их элюирования, уровней загрязнения и т.д. При этом, для определенных конкретных условий существуют свои пределы распашки территории, трансформации ландшафтов, пределы механической и другой антропогенной нагрузки, пределы уменьшения видового разнообразия растительного покрова м биоты, их биопродуктивности Lal K.,1990; Van Dyne, 1969; Woodbury A.M., 1954; Данилов-Данильянц В.И., 1997).

Окультуривание почв, как правило, приводит к нарушению в них естественных взаимосвязей, к увеличению неравновесности состояния, что может поддерживаться только за счет постоянного притока в систему вещества, энергии и информации. Наиболее важными причинами деградации окультуренных почв являются осушение, орошение, подтопление, засоление, осолонцевание, уплотнение почв, их опустынивание, подкисление, загрязнение, механическое разрушение, проявление различных видов эрозии, почвоутомление, неправильное внесение удобрений и мелиорантов, обеднение почв, подзолообразование, осолодение и т.д.

По своей природе все процессы деградации почв и земель принято объединять в три группы: 1) физические процессы деградации – ухудшение структурно-агрегатного состава, сложения почв, морфологического или гидрофизического строения почвогрунта, морфогенетической структуры или гидрологического режима почвенного покрова; 2) химические процессы деградации – истощение запасов органического вещества и жизненно важных для растений питательных веществ, негативное изменение химических (физико-химических, геохимических) режимов почв и почвогрунтов, засоление, осолонцевание или загрязнение земель; 3) биологические процессы деградации - негативные изменения численности, видового разнообразия, состава и биомассы почвенной мезофауны и микробиоты, оказывающие отрицательное влияние на основные биохимические процессы и режимы почв, которые обеспечивают устойчивое функционирование сельскохозяйственных земель данного назначения (Каштанов А.Н. и др., 2001).

Ряд авторов предлагает несколько иную группировку видов деградации. Габбасова И.М. выделяет три основных причины деградации почв: эрозионную, гидрологическую, химическую. С практической точки зрения, рационально рассматривать деградацию почв под влиянием растений (технологий выращивания и самих растений), выращивания животных; под влиянием продуктов отходов растениеводства, животноводства; под влиянием отходов промышленности, при строительстве; под влиянием загрязнения среды, под влиянием естественных и антропогенных изменений гидротермических условий территории. При этом деградация может быть обусловлена превышением допустимых нагрузок на экосистему при природопользовании; несовершенством существующих технологий; нарушением существующих технологий, авариями.

На развитие деградационных процессов в значительной степени влияют внешние факторы. Гравитационные, магнитные, электрические поля Земли, геопатогенные зоны в значительной степени определяют биопродуктивность, а следовательно, и устойчивость почв к деградации. Повышенное содержание цинка, селена и ряда других микроэлементов способствует устойчивости растений к засухе, что снижает риск деградации.

Следует различать деградацию почв, как средства сельскохозяйственного производства, лесного хозяйства, геохимического барьера, компонента биогеоценозов и агрофитоценозов. Деградация почв может приводить к деградации их свойств, процессов, режимов саморегулирования и саморазвития. С экологической точки зрения, деградация почв может приводить к деградации различных экологических функций почв. При этом, деградация одной функции почв не обязательно соответствует деградации других функций. В то же время, каждая экологическая функция почв определяется значительным количеством свойств почв и, в более широком плане, процессов и режимов. Почвы в соответствии с климатическими условиями и протекающими почвообразовательными процессами, могут самоочищаться. Схема районирования приведена на рис. 18.

Одним из важных факторов деградации почв является обеднение их элементами питания. Низкий уровень плодородия почв, обеднение их элементами питания в сочетании с низким уровнем химизации сельскохозяйственного производства, достигнутым за последние годы, привели к засоренности полей, развитию болезней и вредителей, загрязнению среды, нарушению экологической обстановки, к малой эффективности и рентабельности сельскохозяйственного производства.

В настоящее время в почвах России наблюдается отрицательный баланс по азоту (2,7-15,6 кг/га), фосфору (1,5-6,5 кг/га), калию. При этом по отдельным регионам отрицательный баланс по азоту достигает 15,6 кг/га, по фосфору – 6,5 кг/га, калию до 44,9 кг/га (Северо-Кавказский регион). При таком балансе без внесения удобрений в течение 3-5 лет урожайность достигает уровня 50-х годов, когда сбор зерновых составлял 7,4 ц/га, сахарной свеклы – 105 ц/га, подсолнечника – 5,1 ц/га, картофеля – 81 ц/га. Как указывает Сычев В.Г., данные по интенсивности баланса азота, фосфора и калия в почвах России в 1996-98 г.г. свидетельствуют о том, что низкий уровень применения удобрений ведет к падению почвенного плодородия. По данным автора, дальнейшее выращивание сельскохозяйственных культур без применения удобрений в течение 10-15 лет приведет к снижению содержания элементов питания в почве до уровня 1965-1970 годов.

При обеднении почв большое количество питательных веществ непроизводительно отчуждается из удобрений и почвы сорняками, так как они более жизнеспособны и устойчивы к недостатку элементов питания, по сравнению с культурными растениями и особенно сортами интенсивного типа.

Обеднение почв элементами питания приводит к уменьшению биопродуктивности. Это сопровождается меньшим закреплением почв корневыми системами растений, уменьшением содержания гумуса, ухудшением структуры, увеличением плотности, повышением температуры. В конечном, итоге, развитие данных процессов сопровождается усилением развития водной и ветровой эрозии, опустынивания, переуплотнения, засоления и осолонцевания, загрязнения тяжелыми металлами. Все указанные процессы, естественно, приводят к увеличению деградации почв и уменьшению их ценности.

В сборнике коллектива авторов «Природно-техногенные воздействия …, 2000) для пахотных земель предлагаются следующие коэффициенты уровня плодородия почв, в связи с их обеднением элементами питания: слабо обедненные – К=0,95; средне обедненные – К=0,90; сильно обедненные – К=0,80. Ущерб при определении стоимости земельных угодий в результате их обеднения подвижными формами элементов питания оценивается авторами при слабой степени деградации в 5%; средней – 3-5; сильной – 7-10%.

С нашей точки зрения, в предлагаемом подходе оценки степени деградации почв подвижными формами элементов питания существуют следующие недостатки.

1. Обеднение почв подвижными формами элементов питания не является фундаментальным изменением свойств почв. Каждые 100 кг действующего вещества NPK, внесенные на 1 га сверх выноса с урожаем, изменяют содержание их подвижных форм примерно на 1 мг на 100 г почв. Например, уменьшение подвижных форм фосфора с 25 до 20 мг на 100 г (в вытяжке 0,2н НС1) может быть компенсировано внесением 500 кг Р₂О₅ на 1 га. Это не адекватно уменьшению стоимости почв на 5%.

2. Обеднение почв разными элементами питания не одинаково сказывается на урожайности, и иметь для всех случаев одну градацию вряд ли правильно.

3. Обеднение почв элементами питания неодинаково сказывается на плодородии разных почв и в определенных климатических условиях.

4. Существуют сложные взаимосвязи оптимальных агрономических свойств почв, содержания и соотношения элементов питания. При обеднении почв определенным элементом происходит изменение соотношения ионов в ППК и в растворе, изменение других свойств почв, в ряде случаев, в большей степени действующих на урожай, чем недостаток самого элемента. Так, например, уменьшение содержания Са в почве приводит не только к недостатку Са для растений, но и к ухудшению структуры, подкислению почв, увеличению в почве количества подвижных алюминия и марганца, к потере гумуса и т.д.

Мы считаем, что влияние обеднения почв элементами питания Х₁, Х₂, Х₃, Х_п на плодородие почв, урожай и проявление других экологических функций (У₁, У₂, У_п) почв может быть описано уравнениями множественной регрессии:

У₁ = К – k₁X₁ – k₂X₂ – k_nX_n – k_1,2X_1,2… с учетом протекающих эффектов синергизма негативного действия на систему недостатка нескольких элементов питания. Очевидно, что для разных сочетаний свойств почв и климатических условий эти эмпирические уравнения будут свои. Х₁, Х₂, Х_п учитываются не в абсолютных величинах, а в % от оптимума.

При этом, большее значение имеет не содержание подвижных форм элементов питания в общепринятой в агрохимической службе вытяжке, а сумма их подвижных фракций в почве. Последний показатель мы предлагаем называть возобновляющая способность почв по отношению к элементам питания или способность почв поддерживать концентрацию ионов в почвенном растворе при их отчуждении с урожаем на постоянном уровне.

В первом приближении, более правильно оценивать недостаток элементов питания не по содержанию их подвижных форм, а по содержанию валовых форм. Это связано с тем, что подвижные формы очень сильно варьируют в динамике (особенно для азота). Изменение валового содержания в почве элементов питания является изменением одного из фундаментальных свойств почв. Содержание же подвижных форм элементов питания может быть изменено не только их внесением или отчуждением, но также изменением рН, Eh, степени гумусированности и т.д.

При этом разные свойства почв устойчивы к деградации в неодинаковой степени. Зыонг Минь Виэн (2000) для дерново-подзолистых почв установил три группы показателей по устойчивости к воздействию систем удобрений и микрорельефа: к малоустойчивой группе относятся обменные основания, к относительно устойчивой – величина рН, гидролитическая кислотность, степень насыщенности основаниями и обменная кислотность; к устойчивой группе – содержание азота, фосфора, калия.

Одним из факторов деградации почв при интенсивной химизации является уменьшение содержания в почвах гумуса и ухудшение его качества. Главными причинами потерь гумуса пахотными почвами Орлов Д.С. считает уменьшение количества растительных остатков, поступающих в почву, при смене естественного биоценоза агроценозом; усиление минерализации органического вещества, в результате интенсивной обработки и повышения минерализации почв, разложение и биодеградацию гумуса под влиянием физиологически кислых удобрений и активизации микрофлоры за счет вносимых удобрений, усиление минерализации в результате осушения переувлажненных почв, усиления минерализации гумуса орошаемых почв в первые годы орошения; потери гумуса в результате водной и ветровой эрозии.

Таким образом, обеднение почв элементами питания и дегумификация почв, наблюдающиеся при экстенсивном ведении сельскохозяйственного производства, приводит к деградации почв, потере их биопродуктивности, уменьшению устойчивости почв к другим факторам деградации (К_Об). В то же время, и несбалансированное применение минеральных удобрений приводит к ухудшению качества почв, к скрытому отрицательному действию удобрений (К_ДЕГР от химизации). Оба указанных процесса уменьшают ценность почв и их стоимость, как средства сельскохозяйственного производства. Они учитываются умножением балла почв на коэффициент обеднения или коэффициент деградации почв от химизации, которые колеблются от 0 до 1. Однако, они не могут быть одинаковыми для всех почв, условий среды и конкретного проявления деградационных процессов. Реально ущербы определяются, как затраты, необходимые для восстановления нарушенных функций почв, восстановления в прежних пределах содержания подвижных форм элементов питания, рН, концентрации токсикантов.

Существенное падение плодородия почв и развитие их деградации отмечается и при развитии почвоутомления. Его проявление возможно в связи с небла­гоприятным изменением различных свойств почв, почвенных процессов и режимов. При этом возникают как процессы регрессивного развития почв, так и почвенной биоты, растений, других компонентов экосистемы. Под почвоутомлением понимается совокупное, отрицательное влияние, в основном на урожай с/х. культур, различных свойств почв, появляющихся в них в результате с/х. использования. Почвоутомление обусловле­но влиянием на почву, как растений, так и исполь­зуемых методов интегрированной защиты расте­ний, принятой системы обработки и удобрений (Лобков В.Т., 1984; Гродзинский А.М., 1965).

Оно проявляется: 1) в изменении в неблаго­приятную сторону физико-химических свойств почв: подкислении и подщелачивании и появле­нии токсических концентраций алюминия, желе­за, марганца, тяжелых металлов, разрушении структуры, уплотнении почв, увеличении прочно­сти связи с почвой воды; при этом в неблагопри­ятную сторону изменяются водно-воздушный и тепловой режимы почв; 2) в нарушении сбаланси­рованности питательного режима в связи с уси­ленным потреблением культурой одного из эле­ментов питания и из определенного слоя почвы; 3) в появлении в почве специфических вредите­лей и болезней; 4) в уменьшении разнообразия фер­ментов и микроорганизмов и нарушении сукцес­сии разложения растительных остатков; 5) в обра­зовании токсичных концентраций определенных органических продуктов как выделяемых расте­ниями, так и образующихся при неполном и однонаправленном разложении растительных остат­ков; 6) в накоплении в почве водных и воздушных экзаметаболитов растений, в поглощении почвой физических полей, направленных растением-хо­зяином на завоевание ареала; 7) в изменении в не­благоприятную сторону поглотительной способ­ности корневых систем растений по отношению к некоторым элементам (чаще фосфору), в связи с блокировкой центров поглощения и путей мета­болизма селективными реагентами. Почвоутом­ление проявляется в неблагоприятном изменении свойств, процессов и режимов почв, процессов и режимов, протекающих в агрофитоценозах, в уменьшении разнообразия в почве и напочвенном покрове биологических видов.

Почвоутомление перспективно идентифици­ровать по комплексу изменений процессов и ре­жимов в почвах и растениях: 1) по нарушению в передаче и использовании информации, как в поч­ве, так и в растении; это проявляется в разбалансировке биологических ритмов, процессов мета­болизма, в уменьшении адаптационных возмож­ностей почв и растений, в неадекватной реакции на стрессовые ситуации» 2) по изменению накоп­ления энергии и энергетической эффективности процессов; как следствие, это приводит к сниже­нию КПД использования солнечного света, вкла­дываемых средств; 3) по изменению веществен­ного состава почв и растений; 4) по изменению трансформации соединений ионов в почвах, про­цессов саморазвития, эволюции почв.

Очевидно, необходимо составление паспортов устойчивости почв к почвоутомлению, паспор­тов, характеризующих способность культур и сортов вызывать почвоутомление и противосто­ять ему. При этом интегральной величиной оцен­ки почвоутомления может быть коэффициент, характеризующий уменьшение КПД использова­ния ФАР с/х. культурой при развитии почвоутомления. В качестве стандартного показателя величины почвоутомления, может быть исполь­зована условная кумариновая единица - угне­тение процесса, адекватное действию определен­ной концентрации соответствующего известного селективного ингибитора. Для устранения почво­утомления можно действовать на причину, след­ствие и процесс образования продуктов, вызыва­ющих данное явление. Для оптимизации обста­новки целесообразно сочетать приемы по уменьшению накопления токсикантов в растени­ях, в почве, усиливающих их разложение в почве, приемы по подбору устойчивых к почвоутомле­нию культур и приемы по повышению адаптаци­онных возможностей растений.

Учитывая причины развития почвоутомления, перспективны различные пути оптимизации об­становки: 1) введение севооборота с включением в состав чередующихся культур - растений с раз­ным отношением в послеуборочных остатках. С:N, ароматических и алифатических группировок, белков, восков, смол, лигнина; с различной по­требностью растений в отдельных элементах пи­тания и глубиной развития корневой системы; с различными специфическими вредителями и бо­лезнями; 2) внесение в почву органических удоб­рений с резко отличающимся от послеуборочных остатков химическим и биохимическим составом; 3) изменение условий разложения растительных остатков (рН, Еh, условий аэрации, степени от­крытости системы, содержания подвижных форм N, Р, К в почве); 4) селективная инактивация от­дельных групп микроорганизмов; 5) селективная инокуляция почв, органических удобрений и се­мян определенными группами микроорганизмов.

Таким образом, установлено, что почвы легкого и тяжело­го гранулометрического состава с различной ем­костью поглощения, гумусированностью и уров­нем микробиологической активности обладают неодинаковой устойчивостью к почвоутомлению. Почвы с меньшей буферной емкостью бо­лее податливы к развитию почвоутомления. Поч­вы с большей буферной емкостью при развитии почвоутомления могут сорбировать большее ко­личество соединений, вызывающих почвоутом­ление, имеют большую буферность к устране­нию почвоутомления. Различные сорта обладают неодинаковой способностью как вызывать почвоутомление, так и противостоять ему.

Нами для оценки деградации почв и поиска путей оптимизации системы почва-растение рекомендуется применение принципа обратной связи. В почву или в растение вводится токсикант или регулятор процессов и оценивается их ответная реакция. При резко негативной ответной реакции на введение токсиканта делается вывод о существующем избытке токсиканта в системе. При положительной реакции на растение вводимого вещества производится регулирование степени воздействия и оценка ответной реакции. Определяется оптимум воздействия или при действии нескольких факторов экстремум их воздействия.

Например, в живое растение электрофоретически вводится свинец, и оцениваются параметры фотосинтеза. При их резком ухудшении даже при небольших дозах свинца можно говорить о загрязнении этим элементом. В суспензию почвы, загрязненной свинцом, вводится Са(НСО₃)₂. При последовательном подщелачивании среды в аликвотных пробах почвы измеряется рН, содержание свинца, других элементов, ферментативная активность. В находящихся в суспензии почвы растениях одновременно измеряются параметры фотосинтеза. По анализу данных определяется оптимум рН и других параметров, как для функционирования почв, так и для развития растений. Разработанные принципы и методики подхода могут быть использованы в полевых условиях для живой системы почва-растение.