1.3.2. Плодородие почв

Основным свойством почв, используемым человеком, является их плодородие. Выделяют три основных категории (классификации) плодородия почвы:

? естественное, или природное, которое определяется свойствами природных почв, формирующимися в процессе их развития и эволюции под влиянием природных факторов почвообразования;

? искусственное, или эффективное, создаваемое трудом человека, зависящее от уровня развития науки и техники, создающее условия наиболее полного использования природного плодородия или его качественного изменения;

? экономическое, связанное с вещественной оценкой участков почвы в зависимости от их расположения, удаленности, природного плодородия, удобствами и экономической целесообразностью использования.

На практике в понимании почвенного плодородия принято использовать нижеследующие понятия.

Естественное (природное) плодородие – плодородие естественных почв без вмешательства человека по его улучшению.

Искусственное плодородие – плодородие, создаваемое в результате целенаправленного воздействия человеческой деятельности (распашка, механическая обработка, все мероприятия интенсификации сельскохозяйственного производства).

Потенциальное плодородие – суммарное плодородие почвы, определяемое ее свойствами, как приобретенное в процессе естественного почвообразования, так и созданное и (или) измененное человеком.

Относительное плодородие – плодородие почвы относительно какой-либо группы или вида растений, почвенной биоты.

Эффективное плодородие – часть потенциального плодородия, которая реализуется в виде урожая, при данных климатических (погодных) и технико-экономических (агротехнологических) условиях.

Урожай – полезная продукция, получаемая в результате культивирования сельскохозяйственных растений или использования дикорастущих видов (Реймерс, 1990). В агроландшафтах урожай составляет большую часть первичной продукции экосистемы.

Воспроизводство плодородия – совокупность природных почвенных процессов или система целенаправленных мелиоративных и агротехнических воздействий для поддержания эффективного почвенного плодородия на уровне, приближающемся к потенциальному плодородию. Почвенное плодородие определяется физико-химическими и биологическими качествами соответствующих почв. Наряду с этим существуют и лимитирующие факторы плодородия, приведенные в табл. 1.3.

Данные лимитирующие факторы почвенного плодородия относятся прежде всего к искусственному плодородию, однако в связи со значительным прессингом современной цивилизации становятся основополагающими для биосферы за счет существенного расширения агроценозов (агроэкосистем).

Таблица 1.3. Лимитирующие факторы и основные мелиоративные приемы их ликвидации или минимизации (Ковда, Розанов, 1988)

Агроэкосистема (агроценоз) – созданное с целью получения сельскохозяйственной продукции и регулярно поддерживаемое человеком биологическое сообщество, обладающее малой экологической надежностью, но высокой урожайностью (продуктивностью) одного или нескольких аборигенных видов (сортов, пород) растений или животных. Агроэкосистемы, как и естественные экосистемы, состоят из множества взаимосвязанных биологических, физических и химических компонентов.

Процессами производства пищевых ресурсов на основе использования почвенно-климатического потенциала (первичной продукции агросистемы) в настоящее время охвачены огромные площади планеты, представленные разномасштабными (от парцелл до крупных возделываемых массивов) агроэкосистемами. В настоящее время отсутствует общепринятая классификация этих объектов в связи со значительным их разнообразием по размерам, целевому назначению, используемым технологическим системам т. д.

Отсутствие общепринятой классификации агроэкосистем в известной мере восполняется типизацией структур землепользования, применяемой ФАО. Согласно этой типизации выделено пять видов землепользования, по каждому из которых классифицированы агроэкосистемы.

1. Земледельческое, или полевое, землепользование – богарные, орошаемые агроэкосистемы (ротации зерновых, бобовых, кормовых, овощных, бахчевых, технических и лекарственных, культур).

2. Плантационно-садовое землепользование – плантационные агроэкосистемы (чайный куст, дерево какао, кофейное дерево, сахарный тростник), садовые агроэкосистемы (плодовые сады, ягодники, виноградники).

3. Пастбищное землепользование – пастбищные агроэкосистемы (отгонные пастбища: тундровые, пустынные, горные; лесные пастбища; улучшенные пастбища; сенокосы; окультуренные луга).

4. Смешанное землепользование – смешанные агроэкосистемы, характеризующиеся равнозначным соотношением и сочетанием нескольких видов землепользования, а также процессов получения как первичной, так и вторичной биологической продукции.

5. Землепользование в целях производства вторичной биологической продукции – агропромышленные экосистемы (территории интенсивного «индустриализированного» производства молока, мяса, яиц и другой продукции на основе преобладающих процессов снабжения системы веществом и энергией извне).

Выделяют следующие единицы в биосфере по отношению к сельскохозяйственной деятельности человека.

Агросфера – глобальная система, объединяющая всю территорию Земли, преобразованную сельскохозяйственной деятельностью человека.

Агроценозы – биоценозы на землях сельскохозяйственного пользования, созданные с целью получения сельскохозяйственной продукции, регулярно поддерживаемые человеком биотические сообщества, обладающие малой экологической надежностью, но высокой продуктивностью (урожайностью) одного или нескольких избранных видов (сортов, пород) растений или животных.

Аграрный ландшафт – экосистема, сформировавшаяся в результате сельскохозяйственного преобразования ландшафта (степного, таежного и т. д.).

В настоящее время условно выделяют агроэкосистемы доиндустриального периода и агроэкосистемы индустриального периода.

Агроэкосистемы доиндустриального периода, эксплуатируемые до начала XX в., были еще достаточно разнообразны. Ограниченные районы многоотраслевого оседлого хозяйства перемежались значительными пространствами целинных земель; сохранялись реликтовые лесные массивы; пояс тропических лесов был практически не затронут хозяйственной деятельностью человека; их территория характеризовалась незначительным изменением мест обитания традиционных видов животных и растений. Эти агроэкосистемы включали в себя свои первичные производители (дикорастущие растения), которыми человек питался непосредственно или косвенно через дичь, домашних животных, и базировались на них.

Первичные производители агроэкосистем – автотрофы – обеспечивали человека растительным волокном, лесоматериалами, пищевыми компонентами. Человек являлся основным консументом этой экосистемы, в которой естественно существовало значительное число диких и домашних животных, обладающих большой суммарной биомассой. Вся потребляемая человеком продукция трансформировалась в отходы (отбросы), практически полностью разрушаемые и перерабатываемые редуцентами или деструкторами до простых веществ (нитраты, фосфаты, другие минеральные соединения), которые вновь использовались автотрофами в процессе фотосинтеза (рис. 1.4). Самоочищение земель и вод в этих системах осуществлялось полностью за счет естественных механизмов, и круговорот веществ в экосистеме практически не нарушался. Приток солнечной энергии, получаемой человеком в виде химической энергии в процессе обмена веществ при питании (около 4000 ккал/сут на одного человека), равнялся примерно такому же количеству энергии, которую человек использовал в виде тепловой (сжигание дров) и механической (тягловая сила) энергии.

Рис. 1.4. Поток энергии и круговорот вещества в аграрной цивилизации (Рамад, 1981)

До XIX в. в процессе аграрной цивилизации использовалась энергия, которая была накоплена в течение одного вегетационного периода первичными консументами, а также аккумулированная в течение многих лет деревьями. Общее количество используемой одним человеком энергии (около 92 100 кДж/сут) лишь вдвое превышало энергопотребление человеком неолита (около 46 000 кДж/сут).

Таким образом, при становлении доиндустриальной аграрной цивилизации экосистема имела высокий уровень гомеостаза. Несмотря на антропогенное изменение или замещение экосистем, деятельность человека вписывалась в биогеохимический круговорот и незначительно изменяла приток энергии в биосферу.

Необратимые глобальные изменения биосферы Земли под влиянием сельскохозяйственного производства резко усилились в XX в. В связи со значительным ростом населения и сокращением площадей высокоурожайных земель в 70–90-е гг. XX в. началось повсеместное внедрение интенсивных технологий (монокультуры; высокопродуктивные, но незащищенные сорта, полученные путем гибридизации; агрохимикаты; травмирующие приемы вспашки и т. д.), что сопровождалось водной и ветровой эрозией, вторичным засолением, почвоутомлением, деградацией почв, обеднением эдафона и мезофауны, уменьшением лесистости, увеличением распаханности и т. д.

Агроэкосистемы индустриального периода имеют ряд отличий от естественных экосистем и агроэкосистем доиндустриального периода:

? вторичные, искусственно созданные человеком, структурные единицы биосферы;

? ведущим является не естественный отбор, а искусственный;

? видовой состав гораздо менее разнообразен по сравнению с природными биоценозами. Смена видового состава в агроценозах происходит не естественным путем, а по воле человека;

? значительная доля основных биогенов выносится из системы с урожаем и естественный круговорот веществ не осуществляется. Часть вещества в агроценозах безвозвратно изымается из экосистемы. При высоких нормах внесения удобрений для отдельных элементов может наблюдаться явление, когда величина входа элементов питания в растения из почвы оказывается меньше величины поступления элементов питания в почву из разлагающихся растительных остатков и удобрений. С хозяйственно полезной продукцией в агроценозах отчуждается 50–60 % органического вещества от его количества, аккумулированного в продукции;

? человек вносит в агроэкосистемы дополнительную энергию в виде удобрений, дополнительного освещения, средств защиты растений и т. д.;

? агроэкосистемы требуют постоянного ухода со стороны человека и только в этом случае могут быть высокопродуктивными. Саморегуляция в них отсутствует, и без поддержки человека они быстро разрушаются. Для достижения своей цели человек в агроценозе вынужденно изменяет или контролирует (в какой-то мере) влияние природных факторов; дает преимущества в росте и развитии организмам, которые продуцируют пищу. Основная задача создания и эксплуатации агроэкосистемы – найти условия повышения урожайности при минимизации энергетических и вещественных затрат, повышения почвенного плодородия;

? в агроэкосистемах человеком применяются различные химические вещества, не свойственные глобальному биотическому круговороту, которые неизбежно встраиваются в него и прямо или косвенно влияют на устойчивость природных экосистем.

В агроэкосистемах складываются весьма специфические взаимоотношения между организмами, их формирующими.

Основными элементами агробиоценоза в аграрных экосистемах являются культурные растения, высеянные или высаженные человеком; сорные растения, которые проникли в агробиоценоз помимо, а иногда и вопреки воле человека; микроорганизмы ризосфер культурных и сорных растений; клубеньковые бактерии на корнях бобовых, связывающие свободный азот воздуха; микоризообразующие грибы на корнях высших растений; бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли, свободно живущие в почве; беспозвоночные животные, живущие в почве и на растениях; позвоночные животные (грызуны, птицы и др.), живущие в почве и посевах; грибы, бактерии, вирусы – паразиты (полупаразиты) культурных и сорных растений; бактериофаги – паразиты микроорганизмов.

Размер популяций отдельных входящих в агробиоценоз видов колеблется из-за постоянных изменений абиотических и биотических факторов.

Посевы культурных растений в агрофитоценозе являются единственным источником питания для травоядных животных и насекомых-фитофагов. В благоприятные для роста растений периоды популяции продуцентов могут резко и быстро увеличиваться. Обычно большой ущерб наносит сельскохозяйственным культурам массовое размножение травоядных животных и насекомых-фитофагов. Естественное регулирование их численности и доведение их популяций до экономически безвредного порога путем использования их естественных врагов-хищников сложно и не всегда дает хорошие результаты. Отсюда в сельскохозяйственной практике искусственное вмешательство в регулирование численности фитофагов осуществляется за счет использования различных искусственных средств защиты, которые являются остротоксичными веществами.

Анализ основных трофических цепей в агроэкосистеме обычно показывает, что биофаги (фитофаги, хищники, паразиты) активно влияют на собственную численность путем частичного использования или разрушения предшествующего звена трофической цепи, которое служит им источником энергии. Биофаги путем преобразования поглощенных веществ создают специфические источники энергии для последующих звеньев: ткани собственного тела – для биофагов, экскременты – для капрофагов, трупы – для некрофагов. Таким образом, биофаги (сапрофаги) пассивно определяют энергетический обмен у сменяющих их консументов.

Некоторые процессы в агроэкосистемах происходят не так, как в природных системах. Например, скорость инфильтрации воды в природных экосистемах выше, что существенно снижает и поверхностный сток, и вероятность развития эрозии почвы. В естественных условиях эрозию сдерживает также растительный покров, сохраняющийся в течение всего года.

Потери влаги в природной экосистеме обычно выше. Вследствие больших потерь влаги по почвенному профилю перемещается меньший объем воды, что снижает вымывание и поступление в грунтовые воды питательных веществ.

В природных экосистемах в больших количествах содержатся органические коллоиды, которые обеспечивают ионообменную и водоудерживающую способность почвы. Потери почвой коллоидов в агроэкосистемах вызваны окислением и разрушением органического вещества, что происходит в результате длительной обработки почвы, а также при орошении. Параллельно окислению органического вещества происходит и интенсивная минерализация, что ведет к значительным потерям его подвижной части. В агроэкосистемах процессы окисления и минерализации усиливаются вследствие снижения густоты растительного покрова и повышения температуры почвы.

В природных экосистемах способность растений поглощать элементы питания выше, чем скорость образования доступных их форм в почве. Растения природных экосистем имеют более разнообразную корневую систему, что позволяет полнее использовать почвенный профиль. Интенсивная агротехника, при которой уменьшается разнообразие возделываемых культур, не только снижает эффективность использования влаги, но и увеличивает угрозу потери питательных веществ при вымывании их за пределы корнеобитаемого слоя почвы.

Естественные экосистемы выполняют три основные жизнеобеспечивающие функции: место, средство, условия жизни. Агроэкосистемы в отличие от них формируются для получения максимально возможного количества продукции, служащей первоисточником пищевых, кормовых, лекарственных и сырьевых ресурсов, т. е. функции агроэкосистем в основном ограничиваются предоставлением средств жизни. В этом главная причина преобладания ресурсоемкого и природоразрушающего типов агросистем.

Существующие агроэкосистемы достигли максимума возможного развития. Дальнейшее усиление интенсификационных мероприятий без увеличения площадей не может принести того эффекта, на который рассчитывают, и оправдать внешние энергетические затраты. Выход конечной продукции – пищи – не соответствует масштабам затрат.

Дальнейшим приоритетом развития сельскохозяйственного производства должны стать природосообразные агроэкосистемы. Добиться этого можно лишь при выполнении агроэкосистемами в полной мере функций воспроизводства и сохранения условий жизни.

Формирование агроэкосистем (их реконструкция) должно отвечать главному требованию устойчивого развития: они обязаны и вынуждены стать природоохранными и природосберегающими.

Эффективное плодородие пахотных почв оценивается с разных сторон. При проведении земельного кадастра дают оценку земель по их продуктивности, о которой судят по урожайности.

Если рассматривать окультуренность почвы как степень соответствия свойств требованиям к ним культурных и дикорастущих растений, то принято считать, что параметры свойств почвы разной степени окультуренности одновременно являются мерой плодородия почвы на данной стадии развития науки и техники.

Для целей рекреации обычно отводят малопродуктивные земли, земли лесного и водного фондов, нарушенные и рекультивированные. Использование в рекреационной деятельности этих видов земель позволяет повысить экономическую эффективность хозяйственной деятельности на непродуктивных территориях, провести их окультуривание и в какой-то мере увеличить их естественное плодородие.