III.4. Устойчивость почв к деградации

Устойчивость почв к деградации рассматривалась рядом авторов (Арманд, 1983; Ковда, 1985; Добровольский, 1986, 1998; Апарин, 1992; Глазовская, 1978, 1997; Мотузова, Садовникова, 1976; Звягинцев, 1987; Снакин, 1992; Васильевская, 1998). При этом понятия устойчивости системы у разных авторов несколько отличаются. Устойчивость системы – это способность противостоять внешним воздействиям, поддерживать имеющийся режим функционирования (Holing, 1997; Перес, 1979; Фрид, 1998). Устойчивость почв к деградации – это способность не снижать некоторый уровень плодородия под влиянием природных и антропогенных воздействий (Добровольский, 1988, Карманов, Булгаков, 1998).

Как показано в работе Каштанова А.Н. с соавторами (2001), «Параметрами устойчивости агроэкосистемы являются функции, режимы и свойства почвы: структура, организация и продуктивность агрофитоценоза; структура и организация микробного сообщества; интенсивность и сбалансированность биогеохимического круговорота, потоки информации. В отличие от устойчивости, стабильность – это способность экосистемы вернуться в прежнюю область устойчивого равновесия после временного воздействия природного или антропогенного фактора. Важное свойство экосистемы – упругость, под которой следует понимать переход из одной области устойчивого равновесия в другую с сохранением внутренних связей экосистемы.

Для количественной оценки устойчивости экосистемы выделяют связь воздействующих факторов, включающих тип, интенсивность, длительность и количество возмущений, и связь экосистемы с определением основных параметров, ответственных за ее устойчивость, и областей (зон) устойчивого состояния, которых может быть от одной до нескольких. Способность экосистемы вернуться в прежнюю область устойчивого равновесия после временного воздействия характеризует ее стабильность».

Согласно обобщению авторов, в литературе выделяются следующие эвристические понятия устойчивости (Каштанов А.И. и др., 2001): 1) способность сохранить данный объект в течение некоторого времени (Глазкова, 1983); 2) способность восстанавливать прежнее состояние после возмущения (Преображенский, 1983); 3) способность адаптироваться к изменившимся условиям, переходя в новое состояние равновесия Holling 1973); 4) способность сохранять основные жизненно важные параметры на определенном уровне (Новосельцев, 1977); 5) способность «глушить» внешнее воздействие или не реагировать на него (Пузаченко, 1983); 6) способность аккумулировать, пропускать или трансформировать вредное воздействие без видимого вреда системе в течение длительного времени ( Глазовская, 1983); 7) способность сохранять производственную функцию системы (Преображенский, 1983); 8) способность сохранить функцию развития (Уодингтон, 1970); 9) способность системы вернуться в исходное состояние после внешнего или внутреннего воздействия (Арманд, 1983); 10) способность системы сохранять свою структуру и характер функционирования в пространстве и времени (Куприянова, 1983); 11) способность сохранять пригодное для выполнения данной функции состояние на протяжении заданного промежутка времени (Веденин, 1973); 12) свойство системы активно поддерживать значения своих параметров в пределах, не превышающих критических величин, сохраняя определенный характер функционирования (Куликов, 1978); 13) способность системы сохранять внутренние структурные связи и находиться внутри одной и той же области, считающейся устойчивой (Светлосанов, 1980); 14) стабильность состояния во времени, инертность или постоянство качественных характеристик (Липец, 1983); 15) способности противостоять воздействию или возвращаться к исходному состоянию после воздействия (Шарапова, 1989); 16) способность динамической системы сохранять движение по полученной траектории (поддерживать намеченный режим функционирования), несмотря на воздействующие на нее возмущения (Чепурных, Новоселов, 1996); 17) экосистема устойчива, если траектория ее модели в фазовом пространстве не будет выходить за пределы заданной ограниченной области при некоторых возмущениях достаточно широкого спектра (Свирежев, Логофет, 1978); 18) устойчивость - это повторяющаяся последовательность расположения элементов и блоков в пространстве и поведение ее во времени (Дьяконов, 1979); 19) сопротивляемость внешним воздействиям и способность к восстановлению нарушенных этими воздействиями свойств (Преображенский, Мухина, 1978); 20) способность ландшафта сохранять свою структуру и характер функционирования при изменяющихся условиях среды (Дедю, 1990); 21) наличие у системы лишь одного положения равновесия в определенный интервал времени (Ляпунов, 1950); 22) способность системы восстанавливать исходную структуру после возмущения (Westman, 1978); 23) в течение заданного времени экосистема остается в некоторой ограниченной области фазового пространства (Wu Lilian, Shiao Yen, 1978).

Авторы предлагают следующую классификацию видов устойчивости систем (Каштанов А.И. и др., 2001). 1. Равновесие – ситуация, при которой воздействующие на систему разнонаправленные силы взаимно погашаются, и свойства системы остаются неизмененными. Равновесие подразделяется на статическое и динамическое, а также на устойчивое и неустойчивое. 2. Гомеостаз – устойчивое состояние равновесия открытой системы. Гомеостаз возможен при неизменности существующих параметров системы и при неизменности соотношения системы со средой. 3. Стационарный режим – циклическое повторение одной и той же последовательности. При этом выделяются следующие состояния системы: 1) неустойчивая система – малые возмущения резко изменяют режим функционирования; 2) асимптотическая, устойчивая система – возмущения гасятся системой; 3) глобально устойчивая система – свойство устойчивости выполняется для всех траекторий; 4) локально устойчивая система – свойство устойчивости выполняется для траекторий, вблизи равновесной.

При этом, под устойчивостью, надежностью, гомеостазом и стабильностью различными авторами подразумеваются следующие определения (Каштанов А.Н. и др., 2001).

Надежность: 1) сопротивляемость изменениям параметров окружающей среды; 2) способность сохранять свою функцию при различных условиях среды и различных внутренних состояниях на протяжении жизни (Антонов, 1987); 3) способность функционировать в случайно варьирующих условиях среды и во времени (Кутлахмедов, 1987); 4) способность к выживанию и сохранению основных функций в изменяющихся условиях внешней и внутренней среды (Красникова, 1987); 5) способность системы сохранять состояние гомеостаза (Аршавский и др., 1987); 6) способность организма выполнять физиологическую и биохимическую функции, обеспечивающие его нормальную жизнедеятельность на протяжении онтогенеза в определенных экологических условиях (Гродзинский, 1983).

Гомеостаз: 1) процесс поддержания устойчивого состояния организованных систем, включая живые организмы; 2) сохранение постоянства внутренней среды организма (параметров при изменении внутренних и внешних условий) (Кутлахмедов, 1987); 3) относительная устойчивость экосистемы в пределах некоторого диапазона меняющихся условий среды (Поликарпов и др., 1987); 4) поддерживаемое регуляторным возобновлением экосистемы основных ее компонентов и элементов при постоянной саморегуляции во всех ее звеньях (Дедю, 1990); 5) стремление организма поддержать в довольно узком диапазоне колебаний ряд физиолого-биохимических констант, определяющих целостность и функциональную дееспособность (Бобков, 1987).

Стабильность: 1) способность экосистемы и ее отдельных частей противостоять изменению и сохранять динамической равновесие (гомеостаз); 2) способность экосистемы противостоять внешним и внутренним возмущениям, включая любые антропогенные воздействия (Дедю, 1990); 3) неизменность во времени каких-либо характеристик систем (Светлосанов, 1990); 4) постоянство параметров экосистемы в течение неопределенно долгого времени; 5) способность системы поддерживать определенную характеристику системы в неизменном состоянии.

Хабировым И.К., Магафуровым К.Б., Давлетшиной М.Р. (1999, 2003) на основании обобщения литературного материала классифицированы критерии устойчивости почв: 1) критические значения воздействий, вызывающих разрушение системы или перевод ее в необратимо неустойчивое или другое устойчивое состояние; 2) параметры системы (инвариант), остающиеся неизменными при различных возмущениях системы на протяжении значительного времени; 3) параметры динамики основных характеристик системы; 4) критерии устойчивости по Ляпунову; орбитальной, асимптотической и структурной устойчивости на основе математических моделей исследуемых системы; 5) критерии, основанные на отборе наиболее чувствительных характеристик почвы к данному виду воздействия; 6) критерии, основанные на относительном изменении какого-либо свойства или характеристики почвы.

Податливость почв к деградации определяется их буферной емкостью к воздействующему фактору, фазой развития почвы, скоростью протекающих в них процессов. Буферная емкость почв по отношению к деградации обусловлена свойствами, процессами и режимами почв, напочвенного покрова и биоты в пределах изучаемой экосистемы, ландшафта, региона и т.д. При этом более правильно изучать свойства, процессы, режимы для «живых» почв, вод, растений, пород, т.к. изъятые из общей системы образцы обладают совсем иными свойствами и устанавливаемыми структурными, функциональными и трофическими связями, чем «живые» системы.

Прогрессивное или регрессивное развитие почвенного покрова и в целом биогеоценоза определяется трансформацией и миграцией вещества, энергии и информации. При этом прогрессивное развитие характеризуется: накоплением системой внутренней энергии, негэнтропии, увеличением долговечности и надежности. Это сопровождается и увеличением адаптационных возможностей системы или степени ее эластичности.

С усилением степени регрессивного развития системы последовательно протекают следующие стадии: 1) нарушение координации процессов, их разбалансировка, нарушение биоритмов, снижение адекватности ответных реакций на стрессовые ситуации; 2) нарушение энергетических балансов, уменьшение КПД использования солнечного света и любых источников энергии; 3) нарушение вещественного состава системы; 4) нарушение в генетическом аппарате живых компонентов системы и процессов саморазвития в системе в целом. Эти процессы перспективно рассматривать для биогеоценоза, ландшафта, почв.

При рассмотрении деградации почв указанные выше процессы целесообразно исследовать: 1) для почв, как средства сельскохозяйственного производства; 2) для почв, как экологического барьера; 3) для почв, как исторически сложившегося и самостоятельно развивающегося биокосного тела. При этом следует учитывать, что требования к почвам, как к средству с/х производства и экологическому барьеру, непостоянны. Они зависят от уровня интенсификации производства, характера культур и принятых технологий, уровня антропогенного воздействия.

Экологическая устойчивость почв к антропогенным нагрузкам – это способность почвы сохранять свои экологические функции при антропогенных воздействиях. Очевидно, что эта способность отмечается как для отдельных почв, так и для разных экологических функций, для отдельных воздействующих на почву факторов.

а) Устойчивость почв к антропогенному воздействию определяется устойчивостью к деградации всех компонентов экологической системы (рельефа, растительности, биоты, почвообразующих пород), При слабой устойчивости к деградации одного из компонентов экосистемы равновесие и в других компонентах нарушается. Деградация почв приводит к деградации рельефа и растительности, однако, существует и обратная зависимость.

б) Устойчивость к отдельным типам деградации (подкислению, засолению, эрозии и т.д.) даже у одной почвы различна. Почва может быть устойчива к вытаптыванию, но неустойчива к загрязнению и т.д.

в) При воздействии на систему внешних факторов, как правило, на одни свойства или параметры системы они действуют положительно, на другие отрицательно, то есть при деградации одних показателей системы (почв) деградация других свойств необязательна.

г) В одних интервалах воздействующего фактора почва может быть устойчива к нему, а в других интервалах неустойчива. При подкислении почв это определяется количеством в почве функциональных групп с определенной величиной рКа; при оглеении почв это определяется количеством в почве соединений с определенной степенью окисленности. То есть буферность почв неодинакова в разных интервалах рН и в разных интервалах Eh. Если почва обладает большой буферностью в одном интервале Eh, то это не значит, что она будет обладать большой буферностью и в других интервалах ОВП.

д) При антропогенном воздействии выше порога буферности по отдельным параметрам (степень распашки территории, уменьшение биоразнообразия, степень открытости системы, загрязнение и т.д.) начинают развиваться самоускоряющиеся процессы деградации системы.

е) Устойчивость почв к деградации зависит от состояния системы и ее свойств. На разных стадиях деградационного процесса устойчивость к дальнейшей деградации разная. В определенные (конкретные) фазы развития почв устойчивость к деградации отличается (она меньше для молодых почв и на ранней фазе их развития). Устойчивость к деградации зависит от времени жизни объекта. Устойчивость к деградации зависит от скорости процессов в объекте.

Устойчивость систем к деградации зависит от ряда факторов: 1) от устойчивости к воздействию каждого компонента системы; 2) от вида воздействия; 3) от интервалов воздействия; 4) от продолжительности воздействия; 5) от уже достигнутой фазы деградации системы и каждого ее компонента; 6) от сочетания стрессовых воздействий и действия на систему других физических полей; 6) от проявившихся процессов гистерезиса и памяти.

При оценке факторов, влияющих на деградацию почв, необходимо учитывать не только их интенсивность, но также продолжительность воздействия, градиент и закономерную смену во времени и в пространстве. Так, например, Габбасовой И.М. показано, что с увеличением степени эродированности во всех генетических типах почв лесостепной зоны возрастает удельная поверхность почв и выделенного из них ила, что обеспечивает повышение устойчивости почв при переходе от слабой к средней и от средней к сильной степени эродированности. Зайдельманом Ф.Р. (1974) показано, что, если сильно заболоченные минеральные почвы после осушения оказываются в обстановке застойно-промывного режима, то в них развивается интенсивный вынос щелочноземельных катионов, ила, сильное подкисление, уменьшение содержания несиликатного и валового железа, алюминия, увеличение содержания их подвижных форм, т.е. вторичное заболачивание вызывает интенсивное оподзаливание и глубокую деградацию почв.

Разная устойчивость почв к деградации в зависимости от сочетания внешних и внутренних условий определяет и разные предельно допустимые уровни воздействия на конкретные почвы в определенных условиях. Так, например, предельно допустимая концентрация тяжелых металлов в почвах определяется не их валовым содержанием, а активностью водорастворимых форм соединений. При этом активность зависит от прочности связи ионов с твердой фазой и с другими ионами в растворе. Она определяется эффективными произведениями растворимости осадков, эффективными константами нестойкости комплексов и эффективными константами ионного обмена в системе твердая фаза – раствор. Эти показатели зависят от рН и Eh среды, ионной силы раствора, его комплексообразующей способности. При образовании в растворе комплексов предельно допустимые концентрации зависят от знака и плотности их заряда, молекулярной массы. Величина предельно допустимых концентраций тяжелых металлов в почвах возрастает с увеличением рН, с увеличением емкости обмена катионов, с утяжелением гранулометрического состава, с увеличением прочности связи этих катионов с твердой фазой, с уменьшением скорости их перехода из твердой фазы в раствор, с увеличением доли минералов групп монтмориллонита и вермикулита.

Деградация агрофитоценозов в значительной степени зависит от устойчивости к деградации растительного покрова. Эволюцией экосистем движет противоречие, порожденное существованием двух противоположных процессов (между постоянно изменяющимися условиями среды и наследственностью живых систем) – абиотического энтропийного и биотического негэнтропийного. Агрофитоценозы отличаются от естественных ценозов ограниченностью видового разнообразия и, часто, недостаточной адаптацией растений к факторам внешней среды, в которую они помещены. Уменьшение биологической продуктивности является также следствием уменьшения биоразнообразия и появления в напочвенном покрове резко ограниченного числа видов с ограниченными адаптационными возможностями к условиям среды. Это приводит к уменьшению устойчивости и надежности системы. Устойчивость к деградации растительного покрова, в отличии от устойчивости к деградации почв, имеет ряд специфических особенностей.

Основным положением энергетики экосистем является необратимость биоэнергетических процессов. Как считает Наумов Н.П., в экосистеме помимо механизмов обратных связей, особенно на уровне биогеоценозов, действует специфическая система регуляции, к которой относится межвидовая сигнализация (оптическая, звуковая, электрическая, химическая), выражающаяся в возникновении вокруг биогеоценоза соответствующих «биологических полей» (Агрохимия, 2000).

Величина предельно допустимых концентраций токсикантов и уровней воздействия для растений зависит от селективности к ним корневых систем, длительности жизни растений, скорости протекающих процессов метаболизма, фазы развития растения. Величина ПДК для растений уменьшается с увеличением продолжительности жизни растения, с увеличением интенсивности процессов метаболизма, на ранней фазе развития растения, с увеличением селективности к токсиканту сорбционных мест корневых систем (Лархер В., 1978).

Так, например, древесные культуры накапливают в своих кронах элементы питания и токсиканты не только в зависимости от их содержания в воздухе, но и от содержания их активных форм в почвах, селективности корневых систем и особенностей процессов метаболизма. При этом, древесные культуры имеют более длительный, жизненный цикл, по сравнению с травянистым. Токсикант в них многократно включается в процессы метаболизма и в большей степени может накапливаться. В связи с этим, древесные породы и культуры начинают угнетаться при более низких концентрациях токсикантов в почвах.

При воздействии на растения нескольких факторов деградации отмечается их взаимовлияние, обусловленное не только эффектами аддитивности, синергизма и антагонизма, но и более сложными взаимодействиями. Интегральное действие на организм совокупности экологических факторов осложнено явлениями монодоминантности, синергизма, антагонизма и провокационности их совместного действия. Монодоминантность возникает, если один из факторов, находясь либо в минимуме, либо в максимуме оказывает столь сильное воздействие, что подавляет влияние всех остальных факторов. Провокационность характерна для сочетания стимулирующих воздействий с летальными и заключается в том, что отрицательные эффекты усиливаются (Башкин В.Н., 1993).

Для любых биологических объектов имеются определенные пределы устойчивости, при переходе через которые система скачкообразно меняет свойства и может вообще прекратить существование. В обобщенном виде, предельно допустимые уровни (концентрации) воздействия токсикантов на биологический объект могут считаться более высокими при образовании в растворе ассоциатов токсикантов, гидроксикомплексов, осадков, при закреплении их в ППК, при образовании комплексов с большой молекулярной массой, при наличии в растворе ионов, конкурирующих с ионами токсиканта за поступление в растения; при малом времени жизни объекта, при малой скорости в нем процессов метаболизма, при большой толерантности биоты к токсиканту, при малой селективности к нему поглотительных систем. Увеличение действия на биосистему и, поэтому уменьшение предельно допустимого уровня воздействия, будет отмечаться при большой продолжительности жизни объекта, при большой скорости в нем процессов метаболизма, в которые включается токсикант, при образовании в почвенном растворе комплексов токсиканта с малой молекулярной массой и зарядом, легче поступающих в растения; при увеличении активности токсиканта в почвенном растворе.

Следует отметить, что устойчивость почв к различным видам деградации зависит и от различных свойств почв и параметров других компонентов экологической системы. Поэтому различные авторы приводит и неодинаковые градации степени устойчивости почв к деградации.

При оценке структурных взаимосвязей в почве большое значение имеет математическое описание устойчивости почв к деградации. Хабиров И.К. (1999) классифицирует методы математического моделирования почвенных систем следующим образом: 1) теория устойчивости и бифуркаций дифференциальных уравнений → примерные схемы перекрестной регуляции → топологические методы теории катастроф; 2) термодинамический подход → вероятностные критерии дифференциальных уравнений → теория диссипативных структур; 3) теория автоматов → механические и графические игровые аналоги; 4) формальная символьная логика → теория параллельных алгоритмов; 5) применение принципов оптимальности биологии.

Возможности линейного анализа устойчивости ограничены областью особых точек, за пределами которых возможны качественно новые режимы функционирования, автоколебания, диссипативные структуры. Математическая теория устойчивости, изучающая поведение системы в окрестности и за пределами особых точек, в почвоведении используется крайне редко, хотя имеется немало подобных исследований в биофизике, биологии, экологии (Рубин, 1984; Рубин, Пытьева, Ризниченко, 1987; Свиришев, 1987; Свиришев, Логофет, 1978; Давлетшина, 2003; Хабиров, 1999).

Хабировым И.К. (1999) доказано, что используемые ранее линейные и балансовые модели не пригодны для описания устойчивости черноземов Башкирии. Так, например, простейшая линейная модель трансформации органического вещества рассматривает только почвенную часть, разделяя на детрит (С) и гумифицированное вещество (Н):

dC/dt = L – (k₁ + k₂) C, где L – количество ежегодно поступающих в почву растительных остатков; k₁, k₂ – константы минерализации и гумификации подстилки (детрита):

dH/dt = k₂C – k₃H, где k₃ – константа минерализации гумусового вещества.

По полученным автором данным, С_t = 0,45 + 1,064 exp (- 0,22t);

H_t = 0,018 + 0,95 exp (- 0,22t) – 0,224 exp (+0,4t)

Методом графического анализа получены временные зависимости С и Н, рассчитанные по вышеприведенным уравнениям для случаев аккумуляции и разложения органического вещества в выщелоченном черноземе с общим запасом 185 т/га (1,85 г/см³) при среднегодовом поступлении опада 1 т/га. Эти показатели характерны для степных экосистем на выщелоченных черноземах. Фазовый портрет системы – устойчивый узел, следовательно, колебательные режимы, бифуркации в этом случае невозможны (рис. 11) (Хабиров И.К., 1999; Давлетшина М.Р., 2003).

Авторами получены следующие обобщенные показатели трансформации органического вещества почв: запасы органического вещества, г/см³ (Н₀ + С₀) в черноземах выщелоченных – 1,85; в серых лесных почвах – 0,95; детрит, г/см³ (Н₀) соответственно 0,74 и 0,38; гумифицированное органическое вещество, г/см³ (С₀) соответственно – 1.11 и 0,57; ежегодное поступление, т/га (L) в черноземах – 1.0; в серых лесных почвах – 0,95; коэффициент минерализации детрита соответственно (k₁) – 0,7и 0,5; коэффициент гумификации детрита соответственно (k₂) – 0,2 и 0,18; коэффициент минерализации гумусового вещества соответственно (k₃) – 1,3 и 0,9. По данным авторов, для восстановления на прежний уровень углерода детрита необходимо порядка 20-25 лет, лабильных фракций гумуса – до 200 лет.

Для оценки области неустойчивости Хабиров И.К. и Давлетшина М.Р. рассматривают следующую балансовую модель функционирования системы биоценоз почва:

dB/dt = Q + _aB + _bX; dX/dt = P + _kB + _vX, где В, Х – запасы биомассы фитоценоза и почвенного органического вещества (ПОВ); а – результирующая параметров синтеза, дыхания и отмирания фитомассы; В – параметр потребления веществ, удерживающих ПОВ; k, v – скорости поступления и разложения ПОВ; P, Q – дополнительные внешние потоки вещества в систему (из нее).

При решении системы и оценке устойчивости модели установлено, что колебательные режимы отсутствуют, т.к. решение всегда > 0. При а > bk/j система будет устойчивой (устойчивый узел), однако, при обратном соотношении параметров в ней возникает неустойчивость по типу «седло». Соотношение а = bk/j определяет точку бифуркации и смену режимов функционирования системы.

Хабиров И.К. (1999) и Давлетшина М.Р. (2003) считают, что наиболее эффективным методом моделирования устойчивости почвы является метод теории катастроф. Согласно этой теории, катастрофа – это скачкообразное изменение при плавном изменении внешних условий (Уитни, 1955; Thom, 1972). Авторы считают, что при небольших изменениях внешних параметров (антропогенная и естественная деградация) почва некоторое время не теряет своей устойчивости, но при достижении критических значений даже малое изменение приводит к скачкообразному переходу почвы в новое устойчивое состояние, но с другими показателями.

Математическое описание деградации почв предлагается и другими авторами. Куликов А.И. с соавторами (1998) отмечает, что для оценки деградации почв необходимо построение многомерной шкалы с учетом амплитудного колебания свойств почв. Рассчитывается показатель расстояния объекта от нормы (Ф) по формуле: Ф = 1/n ∑(X_i – M_i)/σ, где n – число показателей; X_i – отдельное значение признака; M_i – среднее арифметическое; σ_i – стандартное отклонение.

Куликов А.И. (1998) отмечает, что деградация почв вызывает уменьшение тесноты корреляционной связи между горизонтами.

На основании оценки степени деградации определенных территорий рассчитывается ущерб от деградации по поля, хозяйства, районы и более крупные административные единицы (рис. 19), а с учетом природно-техногенных факторов суммарный риск ухудшения качества земель и уменьшения их биопродуктивности (рис. 20), а также снижение стоимости земель (рис. 21), по данным книги «Природно-техногенные воздействия на земельный фонд России» (2000). Более подробное изложение рассматриваемых вопросов приведено также в работе Савича В.И., Духанина Ю.А. и др. «информационная оценка плодородия почв» (2006); Савича В.И., Седых В.А. и др. «Экологические факторы стоимостной оценки земель» (2011).