оптимального природопользования

Почва – сложная полифункциональная система. Являясь составной частью биосферы, она выполняет множество взаимосвязанных природных функций, обеспечивающих ее эволюцию. По мере вмешательства человека механизм самоуправления и саморазвития биосферы существенно усложняется. Человек вменил почве функции средства производства продукции сельского и лесного хозяйства, т.е. производительные функции, а также различные социальные функции, в которых почва выступает как хранилище отходов, объект различных видов строительной, водохозяйственной, горнодобывающей, военной и другой деятельности, селитебный объект и др. Возросшее давление этой деятельности на биосферу привело к региональным экологическим катастрофам и угрозе глобальной катастрофы. Поэтому рассмотренная выше биосферная идеология природопользования гласит, что производственные и социальные функции не должны находиться в противоречии с экологическими функциями почвы. Более того, экологический императив требует сохранения экологических функций и наложения ограничений на те виды деятельности, которые наносят ущерб этим функциям.

Естественно, такая постановка вопроса требует соответствующей идентификации экологических функций почв и разработки механизмов их защиты. Эта проблема пока далека от системного решения, но в последние годы активно разрабатывается и нашла теоретическое освещение в учебных пособиях Г.В. Добровольского и Е.Д. Никитина (1990).

Рассмотрим основные группы этих функций в обобщенном виде.

Биоэкологические функции почв. Почвенный покров, по выражению В. А. Ковды, является экологической нишей, убежищем и областью концентрации живого вещества. Наземная биомасса составляет примерно n∙10¹³ т. Подземная масса корней, животных, микроорганизмов не меньше. Именно из почвы растения, а через них животные и человек получают элементы минерального питания и воду для создания своей биомассы. В почве аккумулируются необходимые организмам биофильные элементы в доступных формах химических соединений. В зависимости от почвенно-климатических условий складывается различная плотность жизни на Земле, обеспечивается биологическое разнообразие видов. С плотностью бионаселения связано плодородие почвы в широком понимании. Резкое сокращение бионаселения в процессе интенсивного воздействия на почву механическими и химическими средствами, привело к ухудшению структурного состояния почв. Новые наукоемкие, дифференциальные агротехнологии адаптивно-ландшафтного земледелия с минимальным воздействием на почву вплоть до прямого посева без обработки, создание мульчи из растительных остатков способствует оживлению почвы, ее биологическому саморыхлению.Этот процесс экологизации агротехнологий одновременно обеспечивает снижение энергетических и других затрат. Существуют и другие способы биологизации земледелия и обеспечения биоразнообразия путем конструирования оптимальных агроландшафтов в сочетании с восстановлением природных ландшафтов.

Биоэнергетическая функция. Эта функция связана с консервацией солнечной энергии и ее утилизацией в процессе жизнедеятельности организмов-деструкторов. В органическом веществе почвы аккумулируется энергия, благодаря которой функционируют микроорганизмы. Один грамм сухой биомассы при окислении производит 2 – 3 ккал тепловой энергии, один грамм гумуса - 4,5 – 5,0 ккал. Азотфиксирующие микроорганизмы, используя энергию органического вещества накапливают минеральный азот. Земледелие и лесоводство в известной мере используют и управляют биоэнергетическими функциями почвы.

Биогеохимические функции. Все биогеохимические циклы элементов осуществляются через почву, которая служит геомембраной и аккумулятором биофильных элементов. Они захватываются из почвы растениями и через ряд промежуточных трофических циклов (растения – животные - микроорганизмы) возвращаются назад в почву, что и составляет малый биологический круговорот веществ. Частично происходит вынос элементов в гидрографическую сеть, в зоны аккумуляции и в конечном итоге в мировой океан, т.е. вовлечение в большой геологический круговорот веществ.

Таким образом, почва - связующее звено между биологическим и геологическим круговоротами. Она защищает литосферу от слишком интенсивного воздействия экзогенных факторов и соответственно от их разрушения. Повышение емкости биологического круговорота и сокращение потерь элементов в геологическом круговороте – важные задачи систем земледелия.

Гидрологические и гидрогеологические функции. Почва играет роль посредника между поверхностным и грунтовым стоком. В результате круговорота воды почва избирательно отдает в поверхностный и подземный сток растворимые в воде химические соединения, определяя в значительной мере гидрохимическую ситуацию в ландшафте, которая зависит от гидрофизических свойств почвы и ее обменной способности.

От почвы зависит соотношение между грунтовым и поверхностным стоком. При ухудшении водно-физических свойств почв активизируется поверхностный сток, что может приводить к длительным паводкам весной и пересыханию рек в засушливый период, усилению эрозии, недостаточной влагозарядке почв.

Почва поглощает многие вредные вещества на пути миграции в водные экосистемы, однако ее возможности не беспредельны. С усилением антропогенных нагрузок в грунтовые и речные воды поступает избыточное количество многих соединений. В результате нерационального применения удобрений загрязняются пойменные экосистемы, происходит эвтрофикация водоемов.

Газоатмосферные функции. Прямое участие почвы в формировании газового состава атмосферного воздуха, а через него и атмосферы в целом определяется прежде всего деятельностью почвенных микроорганизмов, дыханием корней растений и животных. Газообмену способствует высокая пористость почв (40 – 60% объема). Из почвы в атмосферу идет поток различных газов, в том числе так называемые «парниковые газы» - СО₂, метан, оксиды азота. Одновременно происходит поглощение почвой кислорода.

Дыхание почвы и растений вместе с фотосинтезом поддерживают постоянство состава атмосферного воздуха. Человеческая деятельность, в том числе сельскохозяйственная, заметно влияет на это равновесие. В частности, возрастает эмиссия СО₂ в атмосферу с сельскохозяйственных земель планеты, составляющих около 20% от поступления СО₂ при сжигании ископаемого топлива. Около 70% СН₄ и 90% NO поступает в атмосферу из почв. Антропогенное поступление в атмосферу парниковых газов усиливает природный тренд глобального потепления. В свою очередь такое потепление может способствовать более активной минерализации органического вещества тундровых и торфяных почв и усиливать потери CO₂.

Немаловажное значение в сокращении эмиссии парниковых газов из почв имеет оптимизация землепользования и земледелия, в частности минимизация почвообработки, рекультивация, облесение деградированных земель.

Помимо выполнения газовых функций почва является источником поступающего в атмосферу твердого вещества и микроорганизмов. Это явление связано, прежде всего, с переносом частиц почвы в результате дефляции. О масштабах воздушного переноса вещества в историческом аспекте свидетельствуют эоловые отложения. Перенос солей с поверхности солончаков играет заметную роль в обогащении почв водорастворимыми солями.

Запыленность воздуха вследствие дефляции может приводить к заметному снижению притока солнечной радиации к земной поверхности.

Биоценотические функции почв. Наряду с рассмотренными глобальными биосферными функциями выделяют различные биоценотические функции почв (табл.1.1). Среди них особое место занимают санитарные функции, способность почвы к самоочищению. Подвергая минерализации и разрушению поступающие в почву и на поверхность органические остатки, почвенные микроорганизмы предохраняют ландшафты от загрязнения и гибели. С их деятельностью связано очищение почв от мусора, различных хозяйственных и промышленных отходов. В земледелии важное значение имеет очищающая способность почв по отношению к пестицидам. Наиболее велика в этом отношении роль бактерий, затем актиномицетов и грибов. Соединения, которые в условиях чистой культуры микробов не подвергаются деградации, в природе все-таки деструктурируются микробиологическим путем благодаря совметному воздействию. При этом из всех групп пестицидов наиболее легко разлагаются гербициды, медленнее – фунгициды.

1.1. Биогеоценотические функции почв

(Добровольский, Никитин, 1990)

Важный аспект санитарной функции почвы связан с ее антисептическими свойствами, ограничивающими развитие болезнетворных микроорганизмов. Почва является неблагоприятным субстратом для большинства патогенных и токсичных микроорганизмов. Однако при нарушении нормативов использования осадков сточных вод, животноводческих и других стоков происходит накопление патогенных организмов. Процесс обеззараживания осуществляется лишь при определенной продолжительности соприкосновения их с почвой и зависит от свойств почвы.

Почва сдерживает перенос патогенных микроорганизмов. Даже в почвах легкого гранулометрического состава поверхностное бактериальное загрязнение локализуется на относительно небольшом расстоянии от источника поступления нечистот и проникает на небольшую глубину. Однако при наличии стока может загрязняться значительное пространство. Почвенный покров эффективно защищает грунтовые воды от проникновения в них бактериальных и химических загрязнений. Однако при близком их залегании, наличии фильтрующих песчаных пород, загрязнение может распространяться на большие расстояния.

В агрономическом отношении весьма важны активаторно-ингибиторные функции почвы, которые называют физиологическими (Игнатьев, 2005). Они связаны с влиянием на растения и другие компоненты биоценозов различных физиологически активных веществ. Одни вещества, в том числе гумусовые кислоты, стимулируют рост и развитие растений, другие выступают как ингибиторы. В частности, явление почвоутомления во многом связано с накоплением в почве фитотоксичных веществ (колинов). Регулирование активаторно-ингибиторных функций почвы, наряду с традиционными приемами (севооборот и др.) можно проводить с помощью различных биопрепаратов и биотехнологий, чему уделяют все большее внимание в мировой науке.

Большинство биоценотических функций почвы так или иначе связано с сорбционной функцией, в особенности с адсорбцией газов, жидкостей, молекул и ионов, химическим поглощением веществ с образованием нерастворимых соединений, сорбцией микроорганизмов.

Сорбционные процессы определяют буферность почв. Благодаря им поддерживается определенная реакция среды, предотвращается появление в почвенном растворе токсичных веществ.

Поглотительной способностью почв определяется, прежде всего, экологическая емкость агроландшафта, т.е. величина антропогенной нагрузки, которую способен воспринять агроландшафт, сохраняя экологическую и производительную устойчивость.

Развитие представлений о педоценозах и их функциях. Перечисленные экологические функции почв привлекают все большее внимание различных специалистов, однако проблема их оценки, изучения механизмов, измерения с целью регулирования остается недостаточно изученной. Высказываются мнения, что дальнейшее развитие почвоведения должно быть направлено на изучение функционирования почвы как компонента экосистемы. По определению А.С. Керженцева (2006), экосистема – это симбиотическое сообщество фитоценоза и педоценоза, автономно функционирующее в определенном диапазоне гидротермических условий за счет мутуализма – обмена продуктами собственной жизнедеятельности.

В процессе метаболизма экосистемы ее главные структурные компоненты фитоценоз и почва (педоценоз) выполняют противоположные функции. Фитоценоз выполняет функции анаболизма (образование органических веществ) и ассимиляции минеральных элементов в органическую массу, а педогенез - функцию катаболизма (распад органических веществ) и диссимиляции. Если почва выделяет больше минеральных элементов, чем может использовать фитоценоз, то избыток элементов взаимодействует с образующимися при разложении опада свободными радикалами и создает почвенный гумус - запасной фонд элементов питания для растений. Если же почва выделяет меньше питательных веществ, чем может потребить фитоценоз, то растения выбрасывают корневые выделения (эксудаты) в прикорневую зону почвы и стимулируют активность микрофлоры. Вспышка численности микроорганизмов, спровоцированная растениями, способствует минерализации дополнительной порции гумуса в ризосфере и компенсирует в какой-то степени возникший дефицит питательных элементов. Почвенный гумус становится накопителем, хранителем и дозатором элементов минерального питания (Керженцев, 2006). Этот механизм взаимодействия предохраняет экосистему от излишних потерь питательных элементов. В частности, после лесных и степных пожаров, в результате минерализации большой растительной массы и соответственно освобождения элементов питания первая фаза пирогенной восстановленной сукцессии начинается заселением территории сорными растениями с большими потенциальными возможностями увеличения вегетативной массы. Они, как геохимические насосы, впитывают в себя свободные элементы минерального питания и таким образом сохраняют их в экосистеме, спасая от потерь водными и воздушными потоками. То же происходит и при вспашке почвы, ускоряющей минерализацию органического вещества. Избыток минеральных элементов частично теряется с поверхностным и внутрипочвенным стоком. Поэтому так важны сокращение обработки почвы, переход на прямой посев, где это возможно, и поддержание в почве определенного количества лабильного органического вещества. Что же касается сорняков, то они в период интенсивной химизации земледелия, не обеспеченной адекватными агротехнологиями, сыграли важную экологическую роль, удерживая в своей вегетативной массе избыток удобрений и уменьшая загрязнение окружающей среды.

Изучение взаимодействия фито- и педоценозов имеет большие перспективы для понимания и регулирования продукционного процесса сельскохозяйственных культур в агроценозах. Например, при помощи современных молекулярно-биологических методов показано, что растения обладают комплексом генов, определяющих успех растительно-микробного взаимодействия. Эти гены просто "молчат" при отсутствии микроорганизмов.

Со своей стороны микроорганизмы также содержат генетические факторы, которые функционируют только во взаимодействии с растениями. Другими словами - сосуществование микроорганизмов и растений - это результат установления общей генетической системы, которая является новой общностью организмов. Такое сосуществование не случайно - в ходе эволюции растения приобрели возможность оптимизации своей жизнедеятельности за счёт использования потенциала микроорганизмов. Образно говоря, «растения решили доверить ряд своих функций микроорганизмам, при этом они выиграли, так как не несут все необходимые им гены, а только те, которые позволяют запускать и регулировать растительно-микробное взаимодействие» (Тихонович, 2005).

Вероятно, на основе новых знаний функциональной экологии и динамического почвоведения будут создаваться принципиально новые технологии природопользования. В плане развития этого направления, помимо названных авторов следует отметить работы В.Д. Мухи (1979), Б.Д. Никитина (1981), А.Д. Фокина (1986).